Nitrocelulóza

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Chemická látka Nitrocelulóza (také známá jako dusičnan celulózy, střelná bavlna, pyroxylin nebo kolodium) je vysoce hořlavá a výbušná sloučenina vznikající nitrací celulózy. Jedná se o ester kyseliny dusičné a celulózy. Její vlastnosti se dramaticky mění v závislosti na stupni nitrace a délce polymerního řetězce. Nitrocelulóza byla klíčovým materiálem v historii výbušnin, plastů a filmového průmyslu.

V závislosti na obsahu dusíku se dělí na několik typů. Vysoce nitrifikovaná forma, známá jako střelná bavlna (guncotton), obsahuje více než 12,5 % dusíku a používá se jako výbušnina a hlavní složka bezdýmného střelného prachu. Méně nitrifikovaná forma, kolodium nebo pyroxylin (10–12 % dusíku), je rozpustná ve směsi alkoholu a etheru a historicky se používala k výrobě prvního úspěšného termoplastu – celuloidu, laků, lepidel a filmového materiálu.

📜 Historie

Objev nitrocelulózy je připisován německo-švýcarskému chemikovi Christianu Friedrichu Schönbeinovi v roce 1846. Legenda praví, že objev učinil náhodou ve své kuchyni, když rozlil směs kyseliny dusičné a sírové na stůl. V rychlosti utřel rozlitou kyselinu bavlněnou zástěrou své ženy a pověsil ji uschnout nad kamna. Zástěra po uschnutí náhle vzplála a beze zbytku shořela. Schönbein si uvědomil potenciál nově vzniklé látky, kterou pojmenoval Schießbaumwolle (střelná bavlna).

🏛️ Rané využití a problémy

Střelná bavlna okamžitě zaujala vojenské kruhy, protože hořela mnohem rychleji a čistěji než tehdy používaný černý střelný prach. Její zavedení do praxe však bylo problematické. První továrny na její výrobu často explodovaly, protože raná nitrocelulóza byla chemicky nestabilní. Problém spočíval v nedostatečném odstranění zbytků kyselin po nitraci, které způsobovaly pomalý rozklad materiálu, uvolňování tepla a nakonec samovznícení.

Teprve v 60. letech 19. století britský chemik Sir Frederick Abel vyvinul bezpečnější výrobní proces, který zahrnoval rozvláknění nitrocelulózy na jemnou kaši a její důkladné promývání a vaření ve vodě, čímž se odstranily zbytkové kyseliny. Tento proces výrazně zvýšil její stabilitu.

💥 Bezdýmný střelný prach a plasty

V roce 1884 francouzský chemik Paul Vieille vytvořil první úspěšný bezdýmný střelný prach, známý jako Poudre B. Želatinizoval nitrocelulózu směsí etheru a alkoholu, čímž vytvořil plastickou hmotu, kterou bylo možné lisovat do zrn o požadovaném tvaru a velikosti. To umožnilo kontrolovat rychlost hoření a znamenalo revoluci ve střelných zbraních.

Paralelně probíhal vývoj v oblasti plastů. V roce 1862 Alexander Parkes vytvořil Parkesin, považovaný za první umělý plast, který byl vyroben z nitrocelulózy a kafru. Jeho komerční úspěch byl však omezený. Na jeho práci navázal Američan John Wesley Hyatt, který v roce 1870 patentoval vylepšený proces a materiál nazval celuloid. Celuloid se stal prvním masově vyráběným plastem a používal se na výrobu koupelnových doplňků, filmových pásů, kulečníkových koulí (jako náhrada drahé slonoviny) a mnoha dalších předmětů.

🎬 Filmový průmysl

Nitrocelulózový film byl základem pro kinematografii od konce 19. století až do poloviny 20. století. Jeho vynikající optické vlastnosti a pevnost byly ideální pro filmový pás. Jeho extrémní hořlavost však představovala obrovské riziko. Požáry v promítacích kabinách a filmových archivech nebyly neobvyklé. Postupem času se nitrocelulóza začala samovolně rozkládat, přičemž uvolňovala kyselinu dusičnou, která dále urychlovala degradaci a mohla vést k samovznícení. Z tohoto důvodu byla přibližně od roku 1950 nahrazena bezpečnějším "safety filmem" na bázi acetátu celulózy.

🧪 Vlastnosti

🔬 Fyzikální vlastnosti

Nitrocelulóza je v čistém stavu bílá, vláknitá pevná látka, která se vzhledem podobá původní celulóze (např. bavlně). Je bez zápachu. Její hustota je přibližně 1,67 g/cm³. Není rozpustná ve vodě ani v běžných nepolárních rozpouštědlech. Rozpustnost závisí na stupni nitrace; nízko nitrované formy se rozpouštějí ve směsi etheru a ethanolu (tento roztok se nazývá kolodium), zatímco vysoce nitrované formy jsou rozpustné v acetonu.

🧬 Chemické vlastnosti

Chemicky je nitrocelulóza polymerní ester. Vzniká reakcí hydroxylových skupin (-OH) na glukózových jednotkách celulózového řetězce s kyselinou dusičnou.

Stupeň nitrace: Klíčová vlastnost, která určuje její použití. Udává se jako procentuální obsah dusíku.

   *   **Kolodium (Pyroxylin):** 10,5–12,5 % N. Používá se pro laky, lepidla, plasty a membrány.
   *   **Střelná bavlna (Pyrocelulóza):** >12,5 % N. Používá se jako výbušnina a hnací náplň.

Hoření: Nitrocelulóza obsahuje ve své molekule jak palivo (uhlík, vodík), tak oxidovadlo (kyslík z nitroskupin -NO₂). Díky tomu může hořet velmi rychle a bez přístupu vnějšího kyslíku. Rychlost hoření je extrémně vysoká, jedná se spíše o deflagraci než o běžné hoření. Při hoření produkuje velké množství plynných produktů (oxid uhelnatý, oxid uhličitý, vodní pára a dusík), což je princip jejího využití jako střeliviny.
Stabilita: Moderní nitrocelulóza je stabilizována přísadami, jako je difenylamin, které neutralizují stopy kyselin a zabraňují jejímu samovolnému rozkladu.

⚙️ Výroba

Výrobní proces nitrocelulózy je nebezpečný a vyžaduje přísná bezpečnostní opatření.

Příprava celulózy: Jako výchozí surovina se používá vysoce čistá celulóza, nejčastěji z bavlněného lintersu (krátká vlákna zbylá po vyzrnění bavlny) nebo speciálně upravené dřevěné buničiny.
Nitrace: Celulóza se ponoří do nitrační směsi, což je ochlazená směs koncentrované kyseliny dusičné (HNO₃) a kyseliny sírové (H₂SO₄). Kyselina sírová působí jako katalyzátor a pohlcuje vodu vznikající při reakci, čímž udržuje vysokou koncentraci kyseliny dusičné. Teplota, doba reakce a poměr kyselin přesně určují výsledný stupeň nitrace.
Stabilizace: Po dokončení nitrace se produkt rychle oddělí od kyselin a následuje vícestupňový proces praní a varu ve vodě, často s přídavkem slabých zásad (např. uhličitan sodný), aby se dokonale odstranily veškeré zbytky kyselin.
Zpracování: Stabilizovaná nitrocelulóza se odvodní (obvykle alkoholem) a může být dále zpracována. Pro použití ve střelivinách se často želatinizuje rozpouštědly a lisuje do požadovaných tvarů (zrna, trubičky, destičky).

💡 Využití

Nitrocelulóza má i dnes široké spektrum využití.

Střeliviny: Je základní složkou většiny moderních bezdýmných střelných prachů.

   *   Jednosložkové prachy: Obsahují primárně nitrocelulózu.
   *   Dvousložkové prachy: Směs nitrocelulózy a nitroglycerinu (např. kordit). Jsou energetičtější.
   *   Třísložkové prachy: Obsahují navíc nitroguanidin, který snižuje teplotu plamenů a omezuje erozi hlavně.

Laky a nátěry: Nitrocelulózové laky rychle schnou a vytvářejí tvrdý, lesklý povrch. Používají se na hudební nástroje (zejména kytary), nábytek a v automobilovém průmyslu (historicky).
Membrány: V biochemii a molekulární biologii se nitrocelulózové membrány používají pro techniky jako Western blot a Southern blot k imobilizaci proteinů a nukleových kyselin.
Speciální efekty: Tzv. bleskový papír (flash paper), který používají kouzelníci, je list papíru vyrobený z nitrocelulózy. Při zapálení okamžitě shoří jasným zábleskem bez zanechání popela.
Kolodium: Roztok nitrocelulózy v etheru a alkoholu se historicky používal v medicíně jako tekutý obvaz (po odpaření rozpouštědla zanechá tenký film) a byl základem pro rané fotografické procesy (mokrý kolodiový proces).

⚠️ Bezpečnost

Nitrocelulóza je klasifikována jako nebezpečný materiál.

Hořlavost a výbušnost: Suchá nitrocelulóza, zejména s vysokým obsahem dusíku, je velmi citlivá na jiskry, tření, náraz a teplo. Může snadno explodovat.
Skladování: Z bezpečnostních důvodů se obvykle skladuje a přepravuje navlhčená vodou nebo alkoholem (obvykle isopropanol nebo ethanol), což výrazně snižuje její citlivost. Obsah flegmatizátoru bývá kolem 30 %.
Samovolný rozklad: Nestabilizovaná nebo stará nitrocelulóza se může časem samovolně rozkládat. Tento proces je exotermní (uvolňuje teplo), což může vést k nahromadění tepla a samovznícení. To je hlavní příčinou nebezpečnosti starých filmových pásů.

🤔 Pro laiky

Představte si obyčejný kousek bavlny nebo papíru. Obojí je vyrobeno z látky zvané celulóza. Když tuto celulózu ponoříte do velmi silné směsi dvou kyselin (dusičné a sírové), stane se něco zvláštního. Materiál sice stále vypadá jako bavlna, ale jeho chemická podstata se úplně změní. Stane se z něj nitrocelulóza.

Tato "upravená bavlna" získá dvě klíčové vlastnosti: 1. Extrémní hořlavost: Zatímco normální bavlna hoří pomalu a čadí, nitrocelulóza (střelná bavlna) vzplane v jediném okamžiku, shoří obrovskou rychlostí a téměř beze zbytku. Je to proto, že má v sobě zabudovaný vlastní kyslík a nepotřebuje ho ze vzduchu. 2. Rozpustnost: Na rozdíl od bavlny, která se v ničem nerozpustí, nitrocelulózu lze rozpustit v určitých chemikáliích (jako je aceton). Když se rozpouštědlo odpaří, zbyde pevný, průhledný film.

Díky těmto vlastnostem se nitrocelulóza používá dvěma hlavními způsoby:

Jako energie: Její rychlé hoření se využívá v nábojích do pistolí a pušek. Není to klasická "výbušnina", která trhá věci na kusy, ale spíše "hnací látka", která rychle vytvoří obrovské množství plynu a vystřelí kulku z hlavně.
Jako materiál: Rozpuštěná a znovu ztuhlá nitrocelulóza sloužila jako základ pro první plasty (celuloid) a pro staré filmové pásy. Také se z ní vyrábějí rychleschnoucí laky, například na kytary.

Šablona:Aktualizováno