DE550119C - Verfahren zur Herstellung von Salpetersaeure-Fettsaeure-Mischestern der Cellulose oder ihrer Umwandlungsprodukte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Salpetersaeure-Fettsaeure-Mischestern der Cellulose oder ihrer Umwandlungsprodukte

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DE550119C
DE550119C DEI30045D DEI0030045D DE550119C DE 550119 C DE550119 C DE 550119C DE I30045 D DEI30045 D DE I30045D DE I0030045 D DEI0030045 D DE I0030045D DE 550119 C DE550119 C DE 550119C
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cellulose
acid
nitric acid
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DEI30045D
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Dr Franz Becker
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IG Farbenindustrie AG
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IG Farbenindustrie AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B7/00Preparation of cellulose esters of both organic and inorganic acids

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure-Fettsäure-Mischestern der Cellulose oder ihrer Umwandlungsprodukte Die Vorzüge der Nitro-Fettsäureester gegenüber den reinen Fettsäureestern sind bekannt. So weist Nitroacetylcellulose gegenüber der reinen Acetylcellulose verschiedene Vorzüge, z. B. eine ,größere Klarheit der Lösungen und geringere Wasserempfindlichkeit der daraus hergestellten Produkte, auf.
  • Es sind verschiedene Methoden zur Herstellung von Nitroacetylcellulose bekannt: i. Die Vorbehandlung von Cellulose mit Mischsäure und darauffolgend die Acetyli.erung der schwach annitrierten Cellulose. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß zwei getrennte Operationen notwendig sind, nämlich die Nitrierung und die Acetylierung.
  • a. Es wird zuerst die Cellulose mit kleinen Mengen Essigsäureanhydrid und beträchtlichen -Mengen Schwefelsäure in Gegenwart von Salpetersäure vorbehandelt und dann durch Zusatz von mehr Essigsäureanhydrid fertig acetyliert. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß eine starke Bildung von Hydrocellulose stattfindet infolge der Verwendung verhältnismäßig großer Mengen von Schwefelsäure, -wodurch eine heftige Acetylierung erfolgt, so daß das Verfahren im großen entweder einen starken Aufwand an Kühlung oder aber große Mengen Eisessig als Verdünnungsmittel erfordert. Die Viskosität der auf diese Weise erhaltenen NitroacetvIcelluloselösungen ist niedrig. Die daraus hergestellten Erzeugnisse sind von schwankender Güte. Die Verschlechterung des Produktes ist zum Teil auf die ungleichmäßige Einwirkung der Mischsäure bei der Vorbehandlung mit Essigsäureanhydrid zurückzuführen, da die zuerst eingetragenen Cellulosemengen stärker nitriert werden als die zuletzt eingetragenen.
  • Das vorliegende Verfahren stellt eine erhebliche Verbesserung dar, indem man die Cellulose zuerst ohne organisches Säureanhydrid mit dem Gemisch von Salpetersäure, einem Katalysator und einem geeigneten Verdünnungsmittel, vorzugsweise einer organischen Säure, behandelt und dann erst ein organisches Veresterungsmittel, .etwa ein Säureanhydrid, zugibt. Es findet bei der Vorbehandlung nach dem vorliegenden Verfahren weder eine merkliche I`Titrierung noch sonst eine Acylierung statt, sondern der Katalysator und die Salpetersäure haben Zeit, sich vollkommen gleichmäßig in der Cellulose zu verteilen und diese aufzulockern. Hierdurch wird die spätere Nitrierung und Acylierung durch die Fettsäure bedeutend erleichtert. Es findet auch kein Zerfall der Cellulosefasern, also keine Hydrocellulosebildung statt, welche die Qualität der fertigen Mischester verschlechtert, z. B. die Viskosität der Lösungen in unerwünschter Weise herabsetzt. Bei dem nun auf diese Vorbebandlung folgenden Zusatz von Säureanhydrid tritt sogleich die in der Cellulose verteilte Salpetersäure gleichmäßig in die Lösung ein, während der Katalysator infolge seiner gleichmäßigen Verteilung in der lockeren Cellulose die Acylierung sehr gleichmäßig verlaufen läßt. Hat man genügend Katalysator von Anfang an zugesetzt, so kann man die Acylierung in seinem Zuge-ohne weiteren Zusatz von Katalysatoren zu Ende führen. Es ist .aber vorzuziehen, mit einem schwachen Katalysator oder geringen Mengen eines starken Katalysators vorzubehandeln, die Acylierung nach Zusatz von Säureanhydrid in gelinder Weise bis etwa zum Monosäureester zu treiben, worauf nach Zusatz von weiterem Katalysator, etwa einer größeren Menge Schwefelsäure, die Fertigacylierung in kurzer Zeit stattfindet. Dieses Zweiphasenverfahren ist außerordentlich schonend für die Acylcellulose und ergibt ein ausgezeichnetes Produkt.
  • Aus der klaren, faserfreien Lösung kann die Nitroacylcellulose in der hochveresterten Form isoliert werden; meistens wird man aber eine Hydrolyse nach. den üblichen Verfahren anschließen, um Produkte von besserer Löslichkeit zu erhalten.
  • Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die Cellulose in einem Zustande zu verwenden, in welchem sie eine große Oberfläche besitzt, z. B. die Baumwolle in zerkleinertem (gemahlenem) Zustande, also in Form kurzer, lockerer Fasern. Dadurch wird die gleichmäßige Verteilung der Katalysatoren in der Cellulose und die Leichtigkeit der Vereste; rung wesentlich gefördert.
  • Die Verwendung vorzerkleinerter, möglichst lockerer Cellulose ist an 'und für sich nicht Bedingung für das vorliegende Verfahren. Man kann die Cellulose sowohl im Originalzustand, d. h. mehr oder weniger langfaserig, als auch nach vorheriger Zerkleinerung verwenden. Die Form der Cellulose richtet sich in der Hauptsache nach der verwendeten Apparatur. Für Apparate mit Knetflügeln ist die Verwendung einer kurzstapeligen oder vorher zerkleinerten Cellulose im Interesse der leichteren Verarbeitung vorzuziehen. Darüber hinaus bietet die Verwendung vorzerkleinerter Cellulose, besonders bei Verwendung von wenig Eisessig bei der Acetylierung, noch den Vorteil, daß die daraus erhaltene Nitroacetylcellulose einen höheren Grad der Klarheit und Faserfreiheit der Lösungen ergibt. Im Gegensatz zum Patent 415 588 wird die Cellulosefaser wirklich zerkleinert und nicht nur aufgelockert, ohne daß allerdings ein Pulverisieren stattfindet wie im Patent 403 783. Beispiel I Ioo Gewichtsteile gebleichte Baumwolllinters, nicht vorzerllein.ert, 4oo Gewichtsteile Eisessig (99%), I2,5 Gewichtsteile Salpetersäure (98 bis iooolo), 1,25 Gewichtsteile Schwefelsäure werden bei zo bis z5° in einer Flasche 12 Stunden lang geschüttelt, worauf man unter guter Kühlung 3oo Teile Essigsäureanhydrid zusetzt und die Masse in einen Mischapparat bringt. Nach etwa 4stündigem Rühren bei 2o bis 25° hat sich ein weicher Faserbrei gebildet, aus dem sich keine Flüssigkeit mehr abpressen läßt. Man fügt nun innerhalb von ungefähr i o Minuten unter gutem Rühren 4,2 Teile Schwefelsäure (950io), gelöst in 22 Teilen Eisessig, zu. Die Acetylierung schreitet rasch weiter und ist in I3/4 Stunden bei 3o bis 35° beendet. Aus der klaren, faserfreien Masse kann entweder die Nitroacetylcellulose sogleich mit Wasser gefällt werden, oder man schließt zunächst eine Hydrolyse nach dem Verfahren der ;amerikanischen Patentschrift 838 85o an. Dieerzeugte Nitroacetylcellulose besitzt einen Stickstoffgehalt von I,5%. Die mit ihr hergestellten Lösungen zeichnen sich durch große Klarheit und durch Fehlen von Verunreinigungen (Fasern usw.) aus. Die daraus hergestellten Gebilde, z. B. Filme, zeigen gute Festigkeitseigenschaften und besitzen nur 3o bis 40% der Wasserempfindlichkeit des reinen Acetylfilms. Beispiel 2 ioo Gewichtsteile ..gebleichte Baumwolllinters, locker zerkleinert, 4oo Gewichtsteile Eisessig, 20 Gewichtsteile Phosphorsäure (96%), 12,5 Gewichtsteile Salpetersäure (96 bis i oo % ), werden in einer Flasche 3 Stunden lang bei 2o bis 3o° geschüttelt. Man fügt dann 35o Gewichtsteile Essigsäureanhydrid zu, steigert die Temperatur auf 5o bis 6o° und hält diese Temperatur so lange aufrecht, bis ein Faserbrei entstanden ist, aus dem sich keine Flüssigkeit mehr abpressen läßt .(etwa 5 Stunden). Darauf setzt man. 4,2 Teile konzefltrierte Schwefelsäure zu und erhält die Masse ungefähr i Stunde lang auf 3o bis 40°, bis keine Fasern mehr sichtbar sind. Die glänzende, weißliche Masse wird wie im Beispiel i hydrolysiert, d. h. in die gewünschte Löslichkeit übergeführt. Man erhält eine Nitro.acetylcellulose von 4450/0 Stickstoffgehalt. Die mit Phosphorsäure als Katalysator erzeugten Nitroacetyleellulosen zeichnen sich durch eine sehr hohe Viskosität ihrer Lösungen aus. Sie eignen sich hervorragend für die Herstellung plastischer Massen.
  • Beispiel 3a 400 g nicht vorzerkleinerte, gebleichte Baumwollinters, 2400 g Eisessig (99%), --o-Salpetersäure (98 bis iooo/o), 6 g Schwefelsäure (95%) werden 6 bis 12 Stunden bei 2o bis 25° in einer Flasche geschüttelt. Darauf gibt man unter Kühlung und gutem Umrühren i 08o g (= 2,7 Teile) Essigsäureanhydrid zu. Man läßt die Acetylierung bei 3o bis 4o'' verlaufen, bis die Fasern verschwunden sind, was insgesamt etwa 2 bis 3 Stunden dauert. Die Umwandlung der Nitroacetylcellulose in die ,acetonlösliche Form geschieht wie in den Beispielen i Lind 2. Der Stickstoffgehalt der erhaltenen Nitro,acetylcellulose beträgt 0,750,ö. Die i8oloige Lösung in einem Gemisch von Aceton und Alkohol ist klar und enthält wenig Fasern. Der daraus hergestellte Film ist klar und zeigt eine gute Festigkeit.
  • Zum Vergleich wird die Veresterung nach dem Verfahren der ,amerikanischen Patentschrift i 286025 mit denselben Ausgangsstoffen wie folgt ausgeführt: Beispiel 3b 40o g nicht vorzerhleinerte, gebleichte Baumwollinters, 24009 Eisessig, i 6o g Essigsäureanhydrid, 20 g Salpetersäure, 2o g Schwefelsäure werden in einer Flasche geschüttelt, bis die Faser zerfallen ist, was bei 2o bis 3o' etwa 4. bis 6 Stunden dauert. Dann setzt man, unter denselben Bedingungen wie bei 3a, 92o g Essigsäureanhydrid zu und hält bei 3o bis 4o", bis die Acetylierung in etwa 2 bis 3 Stunden beendet ist. Die Masse wird nicht vollkommen faserfrei, im Gegensatz zum Beispiel 3a. Der Stickstoffgehalt des Nitroacetats beträgt nur o,4%.
  • Die i 8 0 oige Lösung in einem Gemisch von Aceton und Alkohol ist, im Gegensatz zum Beispiel 3a, sehr trübe und stark faserhaltig. Dementsprechend ist auch der Film,3b in optischer und mechanischer Beziehung schlechter als der Film 3a.
  • Es wurden die beiden Beispiele 3.a und 3b auch noch wiederholt mit je 5o g Salpetersäure auf 400 g Cellulose. Das Ergebnis war das gleiche wie bei den Versuchen 3a und 3b; die Lösungen und Filme aus dem Nitroacetat nach der ,amerikanischen Patentschrift waren trüber, faserhaltiger und schlechter ,als die, aus dem Nitroacetat nach dem vorliegenden Verfahren. Der Stickstoffgehalt des Nitroacetats betrug bei den Versuchen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung i,67% und bei den nach dem .amerikanischen Verfahren hergestellten nur i,2o!o. Daraus geht hervor, daß bei dem amerikanischen Patent ein Teil der Salpetersäure nicht zur Veresterung der Gellulose verwendet wird, sondern für Nebenreaktionen, z. B. zur Oxydation der Cellulose, worauf zum Teil die schlechte Beschaffenheit des Produktes nach dem amerikanischen Patent zurückgeführt werden kann.
  • Abgesehen von diesen Vorteilen ist das Verfahren gemäß der Erfindung demjenigen der amerikanischen Patentschrift i 286o25 auch wirtschaftlich überlegen, da man mit geringeren :Mengen Essigsäureanhydrid (z. B. 2,7 Teile auf i Teil Cellulose) auskommt.
  • Wenn es auch am einfachsten und vorteilhaftesten ist, die Salpetersäure gleichzeitig mit dem Katalysator in der Cellulose zu verteilen, so läßt sich doch das Verfahren auch in der Weise ,ausführen, daß man die Cellulose zuerst mit dem Katalysator behandelt, und die Salpetersäure später, aber stets vor dem Essigsäure,a.nhydrid, zugibt. Umgekehrt kann man auch zunächst die Salpetersäure, gelöst in einem Verdünnungsmittel, in der Cellulose verteilen und danach den Katalysator zusetzen.
  • In den vorstehenden Beispielen kann das Essigsäureanhydrid durch ein anderes ,geeignetes Säureanhydrid ersetzt werden; ebenso kann an die Stelle des Eisessigs eine andere geeignete organische, Säure treten.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure-Fettsäure-Mischestern. der Cellulose oder ihrer Umwandlungsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß man die Cellulose mit einem Gemisch von Salpetersäure, einem Katalysator und einem geeigneten Verdünnungsmittel, vorzugsweise einer organischen Säure, behandelt und danach durch Zusatz des organischen Veresterungsmittels, beispielsweise eines Säureanhydrids, die Veresterung durchführt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man die Cellulose mit einem Gemisch von Salpetersäure, einem schwachen, oder geringen Mengen eines starken Katalysators und einem geeigneten Verdünnungsmittel behandelt, danach durch, Zusatz des organischen Veresterungsmittels, beispielsweise eines Säureanhydrids, eine schwache Veresterung herbeiführt und schließlich durch Zusatz von weiterem Katalysator, etwa einer größeren Menge Schwefelsäure, die Ver.esterung zu Ende führt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine vorzerkleinerte, möglichst lockere Cellulose verwendet.
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