A CELLULÓZEIPAR
Írta: dr. Vermes Miklós.


A kémia és vívmányai, II. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940.

A) A cellulóze tulajdonságai
Földünkön a szén mellett legnagyobb mennyiségben elôforduló szerves anyag a cellulóze. Ezt az anyagot nemcsak a legtöbb növényben, hanem gyakran állati szervezetekben is megtaláljuk. Feldolgozásával több iparág foglalkozik, pl. a papír-, mûselyem-, celofán-, celluloid- stb. gyártás. Mielôtt részletesen foglalkozhatnánk az egyes cellulózekészítményekkel, meg kell ismernünk elôfordulási helyeit, kémiai összetételét és tulajdonságait.

A cellulóze a növényi sejtfalak alkotórésze. A gyapotmag szálai 90%-ban, a kender és len rostjai 80%-ban cellulózéból állanak. A megszárított fa anyagában átlagosan 55% cellulóze van, valószínûleg kémiailag kötve acetil-xilán-észter formájában, mellette pedig 2030% lignin található. Ha a nyers gyapotfonalat megtisztítjuk, zsír- és viasztartalmát kivonjuk, akkor kémiailag tiszta, 200%-os cellulózét kapunk. A tiszta cellulóze fehér, rostos anyag, fajsúlya 1,5, kristályos természetû, erôsen kettôsen törô; nedvszívó (higroszkópos), 510% vizet képes magába fogadni. Szárazon igen jó elektromos szigetelô. Vízben, híg savban, híg lúgban, alkoholban és minden más organikus oldószerben oldhatatlan.

A cellulóze jellemzésére nem elég külsô, fizikai tulajdonságainak ismerete, hanem ismernünk kell kémiai összetételét is. Mi a cellulóze definíciója kémiai szempontból? A definíció így szól: a cellulóze olyan vegyület, amely hidrolízissel teljes mennyiségében szôlôcukorrá (d-glükóz) alakul és amelyet híg savak csak igen nehezen támadnak meg. A celluióze 44,4% szénbôl, 6,2% hidrogénbôl és 49,4% oxigénbôl áll, ennek megfelelôen tapasztalati képlete: C6H10O5. Ez a képlet azonban csak a relatív összetételt fejezi ki, de a molekulasúlyt nem adja meg, mert amint látni fogjuk a valóságban több száz C6H10O5 összetételû atomcsoport láncolatából áll a cellulóze molekulája. A szerkezeti képlet felírásakor elôször egy, azután két C6H10O5 csoport szerkezetét vizsgáljuk meg:

A szõlõcukor és a cellobioze képlete Haworth szerint

Ezek a képletek a szôlôcukor (d-glükóz) és a cellobioze nevû cukor szerkezeti képletei (csak az elején és végén van a hidrogénatomok helyett szabad vegyérték az egyes csoportok összekapcsolására). Sok ilyen szôlôcukormolekula egymáshoz kapcsolódva alkotja a hosszú, fonálszerû cellulózemolekulákat. A molekula-csoportok mindegyikében találunk egy ú.n. oxigénhidat, ennek alapján HAWORTH szerint gyûrûs alakban is felírhatjuk képleteinket. ...  Egyetlen cellobioze-molekula vastagsága 0,74 mm, hosszúsága1,03 mm. A cukormolekulák hosszú láncolata alkotja a cellulózemolekulát. A molekulák hosszúsága változik a cellulóze eredete, kezelése szerint. Rendszerint 100 és 350 között mozog az a szám, amely megmondja, hogy hány cellobiozemolekula kapcsolódott össze. Ennek rnegfelelôen a molekulastúly 32 000 és 115 000 között, a molekula hossza pedig 100 mm és 360 mm között van. Összehasonlítva a 0,75 mm-nyi vastagsággal láthatjuk, mennyire fonálhoz hasonló, hosszú kiterjedésû a cellulózemolekula és hogy hosszúsága eléri a látható fény hullámhosszúságát.

Cellulózemolekula egy részének vázlatos képe. A fekete körök szénatomokat, a fehérek oxigénatomokat jelentenek. A hidrogénatomokat a rajz nem tünteti fei. A nagyítás kereken 40 milliószoros.

A cellulóze molekulasúlyának a meghatározása nehéz feladat volt. Legegyszerûbb STAUDINGER módszere, aki fonál alakú molekulák hosszúságát és ezáltal a molekulasúlyt az oldat belsô súrlódásából állapította meg. Vizsgálatai szerint a fonál alakú molekulát tartalmazó oldatok belsô súrlódásának (viszkozitásának) a növekedése arányos a koncentrációval és a molekulasúllyal. Tehát a belsô súrlódásból kiszámítható a molekulasúly. A cellulóze molekulasúlya nem állandó, ugyanazon roston belül is ingadozik és az elôbb említett számok középértékek voltak. Még sokkal inkább függ a molekulasúly a tisztítási eljárásoktól. A gyapotból készített cellulóze molekulasúlyára legnagyobb értéknek 324 000-et is kaptak. Ekkor 1000 cellobiózemolekula kapcsolódik össze 1000 mm = 1m hosszú molekulává. Annak ellenére, hogy a molekula hosszúsága már a látható méretek felé közeledik, a cellulóze (és egyéb sokszorosan polimer vegyület) molekulái sem mikroszkóppal, sem ultramikroszkóppal nem Iáthatók, mert rendkívül vékonyak. (Egy cellulózemolekula 1 mm átmérôjû, 1,5 méter hosszú pálcához hasonlít alak szerint.)

Az eddigiek szerint a cellulóze molekulája olyan lánc, melynek egyes szemei a szôlôcukormolekulák; utóbbiakat oxigénatomok kapcsolják össze, a primer alkoholcsoportok pedig hol az egyik-, hol a másik oldalon foglalnak helyet. A cellulózénak, pl. a vattának a rostjait magától értetôdôen nagyon sok ilyen molekula alkotja, amelyek szabályos rendben helyezkednek el. Említettük már, hogy a cellulóze kristályos anyag, ebbôl következik, hogy molekulái szabályos kristályrácsot alkotnak. A kristályrács elrendezését a röntgenspektroszkópia segítségével állapították meg. Röntgensugarak segítségével kiderítették, hogy nemcsak a szervetlen világ szilárd anyagainak legnagyobb része kristályos, hanem a szerves eredetû szilárd anyagok java része is kristályos felépítésû. Így a cellulóze is. Az ismertetett láncszerû molekulák négyesével párhuzamosan helyezkednek el egy téglalap sarkaiban; az egyes szomszédok egymástól 0,835 mm (AB), illetôleg 0,78 mm (BC) távolságban vannak. Az AB és BC oldalak szöge majdnem pontosan 90o. A kép jobb áttekinthetôség kedvéért a négy sarkon álló láncmolekulák közül csak az A- és C-nél levôket tünteti fel, de ugyanilyen molekulákat kell képzelnünk a B és E pontokon is.

A cellulóze kristályrácsának vázlata



A cellulóze kristályszerkezete ezzel még nem teljes, mert ugyanilyen láncmolekulák vannak az alaplapok középpontjában is, de ezek eltolódtak a molekulahosszúság részével. A kristály egyik kiterjedése szempontjából felületen centrált rács.
A kristálylemezek
elhelyezkedése a
cellulózerostban
A fenti képen feltüntetett rácsszerkezet minden irányban folytatódik, de  valahol egészen biztosan befejezôdik. A valóságban pl. a vatta egy-egy rostja nem egyetlen kristálydarab, hanem apróbb részekbôl, elemi rostokból (micellákból) áll. A kép kristályelemét hosszában, a CD irányban 100350-szer, széltében az AB és BC irányok minegyikében 67-szer kell egymás mellé raknunk, hogy megkapjuk a rostok legapróbb egyetlen összefüggô kristályból álló darabját. Ez az oszlopszerû kristályelem körülbelül 5 mm széles és 100360 mm hosszú. (A hosszúság megfelel az elôbb tárgyalt molekulahosszúságnak.) Érdekes az, hogyan épülnek fel a szabad szemmel látható cellulózerostok ezekbôl a kristályelemekbôl: az elemi kristálykák rétegeket alkotnak és a kívül levôk kéreg formájában veszik körül a belül levôket. Az egyes rétegek spirálisan, egymással ellentétesen csavarodnak.

Megismertük a cellulóze felépítését az atomoktól a szabad szernmel látható rostokig. A cellulóze szerkezetét FREUDENBERG, STAUDINGER, MEYER, MARK, ANDRESS, POLÁNYI kémiai és röntgenfizikai vizsgálatai alapján ismerjük ilyen pontosan. Ezután még a cellulóze néhány megváltozott formájáról és oldószereirõl lesz szó.

A cellulózehidrát. A cellulózehidrát kémiailag azonos a közönséges cellulózéval, csak ennek duzzadt formája.
Kolloidkémiai szempontból a duzzadás azt jelenti, hogy vízmolekulák hatolnak be a szilárd anyag kristályrácsába és azt lazítják. A cellulózehidrátra jellemzô, hogy könnyebben festhetô és könnyebben hidrolizál szôlôcukorrá, mint a közönséges cellulóze. Cellulózehidrát jön létre a következô esetekben :
1. A nedves cellulóze erôs mechanikai felaprózásánál.
2. Ha oldatából kapjuk vissza a cellulózét csapadék formájában. Ez a csapadék mindig cellulózehidrát.
3. Ha 6%,-nál töményebb NaOH-dal kezeljük a cellulózét. Ez az ú.n. mercerizálás. Ebben az esetben elôször (C6H10O5)8,NaOH összetételû addíciós vegyület keletkezik, amelybôl a nátrium-hidroxid vízzel kimosható. A mercerizált cellulóze a rost hosszirányában zsugorodik, keresztben vastagszik. Ha mercerizálás közben nyújtjuk a rostot, akkor fényes szálat kapunk.

Amint látni fogjuk, a legtöbb ipari eljárásnál cellulózehidrátot alkalmazunk.

A hidrocellulóze. Híg ásványi sav a cellulózét részben lebontja, a rostok szilárdsága romlik, az anyag kémiailag redukáló természetûvé válik.  A molekulasúly sokkal kisebb, a nátrium-hidroxidban való oldhatóság növekszik.  Ez a részben lebontott cellulóze a hidrocellulóze.

Az oxicellulóze. Lúgos oldatban a cellulóze a Ievegô oxigénjétôl igen könnyen oxidálódik oxicellulózévá. Ebben a vegyületbem (illetôleg rokon vegyületek csoportjában) savas tulajdonságot okozó karboxylgyökök vannak.

A cellulóze oldószerei.  A legismertebb oldószer az ún. Schweizer-reagens, amely kupri-tetramin-oldat és úgy készül, hogy kupri-hidroxidot 20%-os ammóniában oldunk fel. Ez a sötétkék folyadék feloldja a cellulózét anélkül, hogy molekuláit lényegesen lebontaná. Az oldat a cellulóze és a réz töménységétôl függôen erôsen balra forgatja a poláros fényt. Az oldatból cellulózehidrát csapódik ki savak, alkohol vagy víz hatására.

A cellulózét feloldja még a 40%-os zink-klorid-oldat melegen, a tömény kénsav, a nagyon tömény (42%-os) sósav, a tömény sósav és cink-klorid keveréke stb. Mindegyik esetben az oldást igen gyorsan lebontás követi.

Folytatás


Elõadó
A kémia és vívmányai
http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/