Ацетатбутират целлюлозы и эфиры целлюлозы: анализ поставщика, структуры, производительности и применения

Ацетатбутират целлюлозы и эфиры целлюлозы: комплексный анализ структуры, характеристик и применения

Ацетат бутират целлюлозы (CAB, иногда называемый смолой CAB) — это важный эфир целлюлозы. Полусинтетический полимер обладает уникальными характеристиками и разнообразными применениями. Отсюда видно, что эфир целлюлозы — это большая категория, включающая в себя серию продуктов ацетат бутирата целлюлозы.

Чтобы лучше понять разницу между ними, в этой статье будет систематически представлена связь между CAB и другими эфирами целлюлозы. Она включает их поставщиков, химическую структуру, метод синтеза, эксплуатационные характеристики и применение в различных промышленных областях. Сравнительный анализ помогает пользователям лучше понять научные свойства этих материалов, технические преимущества и реальное применение в покрытиях, чернилах, пластиках и пленках. Статья также охватывает последние исследования и будущие тенденции, служа справочным материалом для исследователей и инженеров.

Обзор эфиров целлюлозы

Эфиры целлюлозы — это тип полимерного соединения, полученного из натуральной целлюлозы посредством реакции этерификации, и его история восходит к середине 19 века. В 1865 году французский химик Поль Шютценбергер впервые получил ацетат целлюлозы путем реакции уксусного ангидрида с целлюлозой, что стало пионером химической модификации целлюлозы6. С развитием химической промышленности в начале 20 века были разработаны и промышленно освоены различные эфиры целлюлозы, включая ацетат целлюлозы (CA), ацетат пропионат целлюлозы (CAP) и ацетат бутират целлюлозы (CAB). Эти материалы постепенно заменили некоторые синтетические полимерные материалы на основе нефти во многих областях благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам и возобновляемым свойствам (это важный момент знаний).

Так как же различать классификацию этих эфиров целлюлозы? В настоящее время iSuoChem в основном делит целлюлозу на 3 различные категории в зависимости от типа замещающей группы:

Ацетат целлюлозы (АЦ):содержит только ацетил (-COCH₃) в качестве заместителя

Ацетат пропионат целлюлозы (CAP):содержит как ацетил, так и пропионил (-COC₂H₅)

Ацетат бутират целлюлозы (CAB):содержит как ацетил, так и бутирил (-COC₃H₇)

Характерной структурной особенностью CAB является одновременное присутствие ацетил, бутирил и небольшого количества непрореагировавших гидроксильных групп в молекулярной цепи. Относительное содержание этих трех функциональных групп определяет конечные эксплуатационные характеристики материала1.

Общие характеристики эфиров целлюлозы включают:

Хорошая пленкообразующая способность и обрабатываемость

Высокая прозрачность и глянцевитость

Отличная устойчивость к атмосферным воздействиям и химическому воздействию

Биоразлагаемость и возобновляемость

Хорошая совместимость с различными пластификаторами и смолами.

Однако различные типы эфиров целлюлозы проявляют уникальные свойства. Если взять CAB в качестве примера, то по сравнению с обычным ацетатом целлюлозы он имеет меньшую плотность, лучшую гидрофобность и более широкий диапазон растворимости за счет введения большего объема бутирильных групп1. Эти различия в характеристиках делают различные эфиры целлюлозы имеющими свои собственные сильные стороны в применении, формируя взаимодополняющие, а не конкурентные отношения.

С точки зрения устойчивого развития, эфиры целлюлозы, как один из представителей «зеленых химикатов», их сырьевая целлюлоза поступает из возобновляемых растительных ресурсов, таких как древесина и хлопок, что дает им особые преимущества в сегодняшнем промышленном контексте, который подчеркивает защиту окружающей среды и устойчивое развитие6. С учетом растущего истощения нефтяных ресурсов и обострения экологических проблем, исследования, разработки и применение материалов на основе эфиров целлюлозы открывают новые возможности для развития.

Поставщики бутирата ацетата целлюлозы

Среди них ацетат бутират целлюлозы (CAB) также является основным продуктом, продвигаемым iSuoChem в настоящее время. Он пользуется популярностью на рынке, чтобы заменить серию CAB от EASTMAN!

Химическая структура и синтез ацетатбутирата целлюлозы (АБУЦ)

Ацетат бутират целлюлозы (CAB) является важным инженерным материалом, полученным путем химической модификации натуральной целлюлозы, и его молекулярная структура сложна и деликатна. С химической точки зрения CAB представляет собой смешанный эфир, образованный путем частичной замены гидроксильных групп на глюкозном кольце целлюлозы ацетилом (CH₃CO-) и бутирилом (C₃H₇CO-). Эта уникальная структура придает CAB особые свойства, которые отличаются от других эфиров целлюлозы, что делает его незаменимым во многих областях применения.

С точки зрения механизма синтеза, промышленное производство CAB обычно использует гомогенный или гетерогенный процесс этерификации. В типичном производственном процессе высокочистое целлюлозное сырье (обычно полученное из хлопкового линта или древесной массы) сначала активируется для повышения его реакционной способности, а затем этерифицируется смесью уксусного ангидрида и масляного ангидрида в присутствии катализаторов, таких как серная кислота. В ходе реакции гидроксильные группы на глюкозном звене целлюлозы подвергаются нуклеофильному замещению ангидридом с образованием соответствующей эфирной связи. Точно контролируя условия реакции (такие как температура, время, дозировка катализатора и соотношение ангидрида), можно регулировать содержание и распределение различных эфирных групп в конечном продукте.

Структурные параметры CAB обычно описываются тремя основными показателями:

Общая степень замещения (ОС):указывает среднее число гидроксильных групп, замещенных на каждую единицу глюкозы, с теоретическим максимальным значением 3

Содержание ацетила:влияет на температуру плавления, механическую прочность и термостойкость материала

Содержание бутирила:определяет растворимость, гибкость и гидрофобность материала

Коммерческие продукты CAB можно разделить на несколько марок в зависимости от содержания бутирила, которое обычно составляет от 17% до 55%.С увеличением содержания бутирила материал демонстрирует меньшую плотность, лучшую низкотемпературную прочность и более широкую совместимость с растворителями, но прочность на разрыв и температура тепловой деформации соответственно уменьшатся.

Обработка CAB после синтеза также имеет решающее значение. После завершения реакции избыток ангидрида необходимо удалить с помощью этапа гидролиза, а продукт нейтрализовать до стабильного состояния. После промывки, очистки и сушки в конечном итоге получается продукт CAB, отвечающий требованиям. Стоит отметить, что небольшое количество незамещенных гидроксильных групп обычно сохраняется в молекулярной цепи CAB. Эти полярные группы не только влияют на производительность самого материала, но и обеспечивают активные центры для последующих химических модификаций (таких как сшивание, прививка и т. д.) 2.

Ацетат целлюлозы CA является более распространенным продуктом на рынке. Затем, по сравнению с обычным ацетатом целлюлозы (CA), структурные преимущества CAB в основном отражаются в:

Эффект стерического затруднения бутирильной группы:большая бутирильная группа увеличивает расстояние между молекулярными цепями и снижает кристалличность, тем самым улучшая растворимость и технологичность материала

Повышенная гидрофобность:длинная углеродная цепочка бутирильной группы придает материалу лучшую влагостойкость и водостойкость

Внутренняя пластификация:наличие бутирильной группы снижает зависимость от внешних пластификаторов и делает сам материал более гибким

Степень замещения и распределение заместителей CAB можно точно определить с помощью методов характеризации, таких как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), инфракрасная спектроскопия (FTIR) и элементный анализ5. Эта структурная информация имеет большое значение для понимания свойств материалов, руководства оптимизацией процесса и разработки новых приложений.

В последние годы процесс зеленого синтеза CAB также достиг значительного прогресса. Большое количество органических растворителей и сильных кислотных катализаторов, используемых в традиционных методах, постепенно заменяются экологически чистыми средами, такими как ионные жидкости и сверхкритические флюиды6. Эти новые процессы не только снижают загрязнение окружающей среды, но и повышают эффективность реакции и качество продукции, открывая новые пути для устойчивого развития CAB.

Сравнение эксплуатационных характеристик

Как особый тип эфира целлюлозы, CAB обладает следующими выдающимися свойствами:

Хотя различные типы эфиров целлюлозы имеют схожие химические основы, они демонстрируют существенно разные физические и химические свойства из-за различий в группах замещения. Глубокое понимание этих различий в эксплуатационных характеристиках имеет решающее значение для выбора материалов и инженерных приложений. В этом разделе будут систематически сравниваться эксплуатационные характеристики ацетата бутирата целлюлозы (CAB) с другими основными эфирами целлюлозы по нескольким параметрам, таким как термические свойства, механические свойства и растворимость.

Термическая стабильность: может использоваться в течение длительного времени при температуре 135°C.

Термическая стабильность CAB ниже, чем у CA, но она все равно остается на высоком уровне и может использоваться в течение длительного времени при 135°C без разрушения своей структуры19. Эта термическая стабильность делает CAB пригодным для процессов переработки, требующих высокотемпературной обработки, таких как литье под давлением и горячее прессование. Стоит отметить, что температура стеклования (Tg) CAB обычно ниже, чем у CA, что связано с эффектом внутренней пластификации, вызванным его более крупной бутирильной группой.

Механические свойства: хороший баланс прочности и гибкости

Сравнение механических свойств показывает, что CA имеет более высокую жесткость и прочность на разрыв, но большую хрупкость; в то время как CAB демонстрирует превосходную гибкость и ударопрочность. Согласно данным исследований, прочность на разрыв CAB увеличивается с увеличением содержания ацетила, тогда как гибкость увеличивается с уменьшением содержания ацетила в определенном диапазоне1.

Растворимость: более широкая совместимость с растворителями, чем у CA (растворим в спиртах, эфирах и т. д.)

Растворимость является ключевым параметром в применении эфиров целлюлозы. CA растворяется только в ограниченном количестве полярных растворителей (таких как ацетон и диметилформамид), в то время как CAB имеет значительно более широкий диапазон растворимости из-за введения бутирильных групп. По мере увеличения содержания бутирила CAB растворяется в более широком диапазоне органических растворителей, включая спирты, эфиры и некоторые углеводородные растворители1. Эта превосходная растворимость дает CAB явное преимущество в рецептурах покрытий и чернил. В таблице 1 сравнивается поведение растворения трех основных эфиров целлюлозы в обычных растворителях:

Таблица 1: Сравнение растворимости различных типов эфиров целлюлозы

По оптическим свойствам, эфиры целлюлозы, как правило, обладают высокой прозрачностью и низким двупреломлением, что делает их подходящими для оптических применений. CAB особенно выдающийся в этом отношении, с пропусканием более 90% и чрезвычайно низкой мутностью1. Кроме того, устойчивость CAB к УФ-излучению лучше, чем у большинства синтетических полимерных материалов, и он не так легко желтеет после длительного использования на открытом воздухе. Эта особенность делает его идеальным выбором для высококачественных наружных покрытий и упаковочных материалов.

Устойчивость к атмосферным воздействиям и химическая стойкостьтакже являются важными показателями производительности эфиров целлюлозы. CAB демонстрирует отличную влагостойкость, с существенно более низкой скоростью водопоглощения, чем CA, и лучшей размерной стабильностью во влажной среде1. В то же время CAB имеет хорошую устойчивость к маслам, слабым кислотам и слабым основаниям, но гидролизуется в условиях сильной кислоты или сильного основания. Стоит отметить, что устойчивость CAB к атмосферным воздействиям делает его особенно подходящим для наружного применения, например, для автомобильных покрытий, внешней отделки зданий и т. д., и может сохранять стабильный внешний вид и эксплуатационные характеристики в течение длительного времени.

С точки зрения поверхностных свойств,CAB демонстрирует низкую поверхностную энергию, что делает ее превосходной в плане антипригарности и легкой в очистке. В то же время поверхность пленки CAB гладкая и однородная, и может быть сформировано высокоглянцевое покрытие5. Эти характеристики в сочетании с ее хорошей пригодностью для печати делают CAB популярной в области упаковки и декорирования.

Стоит отметить, что производительность эфиров целлюлозы зависит не только от типа заместителей, но и от микроструктурных параметров, таких как распределение молекулярной массы и однородность заместителей. Точно контролируя эти параметры, производители могут предоставлять индивидуальные продукты, которые соответствуют конкретным требованиям применения. С развитием аналитических технологий и управления процессами регулируемость производительности эфиров целлюлозы будет еще больше улучшаться, создавая больше возможностей для их применения в областях с высокой добавленной стоимостью.

Технология модификации ацетатбутирата целлюлозы (АБУЦ)

Хотя сам по себе ацетат бутират целлюлозы (CAB) обладает множеством превосходных свойств, исследователи разработали множество технологий модификации CAB для удовлетворения конкретных требований к применению или дальнейшего улучшения его характеристик. Эти методы модификации не только расширяют сферу применения CAB, но и предоставляют новые идеи для разработки высокопроизводительных материалов на основе целлюлозы. В этом разделе будут подробно представлены основные стратегии модификации CAB и их влияние на свойства материалов.

Модификация УФ-отвержденияявляется важным прорывом в функционализации CAB за последние годы. Исследования показали, что путем реакции изоцианатов (таких как IPDI) и гидроксиэтилметакрилата (HEMA) с CAB можно ввести светочувствительные двойные связи для получения УФ-отверждаемого CAB2. Этот метод модификации в полной мере использует реакционную способность остаточных гидроксильных групп в молекулярной цепи CAB и придает материалу фотоотверждаемые свойства без существенного изменения свойств матрицы. По сравнению с немодифицированным CAB, модифицированный УФ-отверждаемый CAB значительно улучшил твердость пленки (до 4H) и значительно улучшил стойкость к истиранию, водостойкость и стойкость к растворителям2. В то же время этот материал сохраняет хорошую адгезию (класс 1) и высокий блеск (138), что делает его очень подходящим в качестве высококачественного декоративного и защитного покрытия. Внедрение технологии УФ-отверждения также позволяет отверждать покрытия CAB в течение нескольких секунд, что значительно повышает эффективность производства и снижает потребление энергии.

Модификация сшивкиявляется эффективным средством для улучшения термостойкости и размерной стабильности CAB. Остаточные гидроксильные группы в молекулярной цепи CAB могут быть использованы для формирования трехмерной сетчатой структуры с помощью сшивающих агентов, таких как полиизоцианаты, эпоксидные соединения или металлоорганические каркасы. Умеренное сшивание может значительно повысить температуру тепловой деформации и снизить скорость набухания CAB, сохраняя при этом его прозрачность и механическую прочность2. Например, стойкость к растворителям пленки CAB, сшитой гексаметилендиизоцианатом (HDI), значительно улучшается, а время растворения в ацетоне увеличивается с нескольких минут до нескольких часов. Этот сшитый CAB особенно подходит для применений, требующих химической стойкости, таких как футеровка химического оборудования, антикоррозионные покрытия и т. д.

Модификация нанокомпозита— это новый метод введения наноматериалов в матрицу CAB для получения специальных функций. Обычно используемые наноматериалы включают наносеребро (AgNP), нанодиоксид титана (TiO₂), углеродные нанотрубки (CNT) и графен. Исследования показали, что добавление 1–5 % частиц наносеребра может придать CAB длительные антибактериальные свойства, при этом оказывая незначительное влияние на прозрачность и механические свойства материала. Аналогичным образом, пленки CAB, легированные нано-TiO₂, демонстрируют превосходные свойства защиты от УФ-излучения и самоочищающиеся свойства, что делает их пригодными для наружных защитных покрытий. Ключом к модификации нанокомпозита является достижение равномерной дисперсии и стабильного существования наночастиц в матрице, что обычно требует модификации поверхности наночастиц или использования диспергирующих добавок.

В практических приложениях вышеуказанные технологии модификации часто используются в сочетании для получения синергетических эффектов. Например, многофункциональное покрытие CAB может быть получено путем первоначального создания сшитой сети посредством УФ-отверждения, а затем добавления частиц наносеребра для придания антибактериальных свойств. Гибкое сочетание технологий модификации обеспечивает практически неограниченные возможности для проектирования производительности CAB.

Области применения CAB и эфиров целлюлозы

Ацетат бутират целлюлозы (CAB) и его родственные эфиры целлюлозы играют незаменимую роль во многих промышленных областях благодаря уникальному сочетанию свойств. От повседневных потребительских товаров до высокотехнологичных продуктов, эти возобновляемые материалы можно найти повсюду. В этом разделе будут подробно рассмотрены конкретные области применения и технические преимущества CAB и других эфиров целлюлозы в различных областях применения, а также показаны широкие перспективы применения таких материалов.

Промышленность по производству покрытий и чернилявляется одной из важнейших областей применения CAB. В этой области CAB в основном используется как пленкообразующая смола и модификатор производительности, и его преимущества отражаются во многих аспектах15:

Отличные выравнивающие и противосползающие свойства:CAB может эффективно контролировать реологические свойства покрытия, обеспечивая хорошие эксплуатационные характеристики конструкции и предотвращая провисание при нанесении покрытия на вертикальные поверхности.

Быстрое высвобождение растворителя:Растворимость CAB позволяет ему быстро образовывать стабильную пленку покрытия при испарении растворителя, сокращая время высыхания.

Высокая прозрачность и блеск:Покрытия на основе CAB могут создавать высокодекоративный поверхностный эффект.

Отличная устойчивость к погодным условиям:Покрытия CAB обладают хорошей стойкостью к ультрафиолетовому излучению, не желтеют и не пудрятся после длительного использования на открытом воздухе.

Особо следует отметить, что CAB занимает важное место в автомобильных покрытиях.От грунтовки до верхнего слоя и прозрачного лака, CAB можно добавлять в каждый слой покрытия для улучшения характеристик. Исследования показали, что перламутровые покрытия с добавлением CAB могут создавать уникальный угловой цветовой эффект, значительно повышая роскошь внешнего вида автомобиля. Модифицированные покрытия CAB, отверждаемые УФ-излучением, широко используются в электронных продуктах высокого класса, музыкальных инструментах и других областях. Их твердость может достигать 4H, и они обладают превосходной износостойкостью и сохранением блеска.

Материалы CAB также широко используются в области пластмасс и упаковки. В этой области CAB может использоваться в качестве основной матричной смолы или в качестве модифицированной добавки для других пластмасс:

Ручки инструментов и оправы очков:Воспользуйтесь преимуществами CAB, его приятной на ощупь текстурой, ударопрочностью и простотой обработки.

Упаковочная пленка:Воспользуйтесь высокой прозрачностью и умеренной воздухопроницаемостью CAB, что особенно подходит для упаковки консервированных свежих фруктов и овощей.

Косметические контейнеры:Превосходный поверхностный блеск и химическая стойкость CAB делают его идеальным выбором для высококачественной упаковки косметики.

Термоформованные листы:Листы CAB можно формовать в вакууме, получая изделия различной сложной формы.

По сравнению с пластиками на основе нефти преимуществами продуктов CAB являются их возобновляемость и биоразлагаемость, что соответствует тенденции устойчивого развития современной упаковочной промышленности. В то же время влагопроницаемость и воздухопроницаемость CAB можно точно контролировать, регулируя соотношение ацетил/бутирил для удовлетворения потребностей упаковки различных продуктов.

Стоит отметить, что в последние годы технология зеленой модификации стала горячей точкой исследований. Применение дисперсий CAB на водной основе, пластификаторов на биологической основе и разработка процессов модификации без растворителей сделали материалы CAB более экологически чистыми и устойчивыми6. Эти достижения соответствуют глобальной стратегии устойчивого развития и будут и далее способствовать применению CAB в области высококачественных экологически чистых материалов.

Короче говоря, как важный член семейства эфиров целлюлозы, CAB показал широкие перспективы применения как в традиционных, так и в новых областях благодаря своей регулируемой структуре и производительности. Благодаря молекулярному дизайну и инновациям в процессах этот тип возобновляемого материала продолжит предоставлять важные решения для устойчивого развития.