셀룰로스 아세테이트

생화학에서 셀룰로스 아세테이트(Cellulose acetate)는 셀룰로스의 아세테이트 에스터를 의미하며, 일반적으로 셀룰로스 디아세테이트를 가리킨다. 이것은 1865년에 처음으로 제조되었다.^{[1][확인 필요]} 바이오플라스틱인 셀룰로스 아세테이트는 사진술에서 필름 베이스로, 일부 코팅의 구성 요소로, 안경의 프레임 재료로 사용된다.^[2] 또한 담배 필터와 플레잉 카드 제조에 합성섬유로 사용된다. 셀룰로스 아세테이트 필름에서, 셀룰로스 아세테이트 필름은 1950년대에 질산염 필름을 대체했는데, 이는 훨씬 덜 가연성이고 생산 비용이 저렴했기 때문이다.

셀룰로스 디아세테이트의 구조식. 화학식은 포도당 단위당 두 개의 아세틸기를 가진 셀룰로스 부분을 보여준다.

수용성 셀룰로스 아세테이트(WSCA)는 체중 감량 및 아케르만시아 뮤시니필라와 관련하여 식이섬유(프리바이오틱스)로 사용되었다.^[3]

역사

1865년, 프랑스의 화학자 폴 쉬첸베르거는 셀룰로스가 아세트산 무수물과 반응하여 셀룰로스 아세테이트를 형성한다는 것을 발견했다. 독일의 화학자 아서 아이헨그륀과 테오도르 베커는 1903년에 셀룰로스 아세테이트의 최초 용해성 형태를 발명했다.^[4]

1904년, 카미유 드레퓌스와 그의 남동생 앙리 드레퓌스는 당시 염료 산업의 중심지였던 스위스 바젤에 있는 아버지의 정원 창고에서 셀룰로스 아세테이트에 대한 화학 연구 및 개발을 수행했다. 5년 동안 드레퓌스 형제는 스위스와 프랑스에서 체계적으로 연구하고 실험했다. 1910년까지 그들은 영화 산업을 위한 필름을 생산하고 있었으며, "도프"라고 불리는 소량이지만 꾸준히 증가하는 아세테이트 래커가 확장되는 항공 산업에 판매되어 날개와 동체를 덮는 직물에 코팅되었다.^[5]

1913년, 약 2만 번의 개별 실험 끝에 그들은 이전에 셀룰로스 아세테이트 산업에서 해결되지 않았던 연속 필라멘트 원사의 훌륭한 연구실 샘플을 생산했다.^[5] 불행히도 제1차 세계 대전의 발발로 이 공정의 상업적 개발이 연기되었다.

1914년 11월, 영국 정부는 카미유 드레퓌스 박사를 영국으로 초청하여 아세테이트 도프를 제조하게 했고, "브리티시 셀룰로스 및 화학 제조 회사"가 설립되었다. 1917년, 미국이 전쟁에 참전한 후, 미국 전쟁부는 드레퓌스 박사에게 미국에 유사한 공장을 설립하도록 요청했다. 두 작업 모두 전쟁 내내 성공적으로 운영되었다.

전쟁 후, 아세테이트 섬유 생산에 다시 관심이 집중되었다. 처음 생산된 원사는 품질이 좋았지만 판매 저항이 심했고, 견섬유 관련 업체들은 아세테이트의 신뢰를 떨어뜨리고 사용을 막기 위해 열정적으로 노력했다. 그러나 아세테이트의 열가소성 특성은 패턴이 영구적이고 씻겨 나가지 않아 모아레에 탁월한 섬유가 되게 했다. 같은 특성은 또한 영구적인 주름을 처음으로 상업적인 사실로 만들었으며, 전체 드레스 산업에 큰 스타일적 추진력을 제공했다.^[5]

처음에는 직물에 견섬유와 아세테이트를 혼합하는 작업이 이루어졌고, 거의 동시에 면섬유도 혼방되어 당시 견섬유나 아세테이트보다 저렴한 섬유를 통해 저렴한 직물을 생산할 수 있게 되었다. 오늘날 아세테이트는 견섬유, 면섬유, 모섬유, 나일론 등과 혼방되어 직물에 탁월한 주름 회복력, 좋은 중량감, 촉감, 드레이프성, 빠른 건조, 적절한 치수 안정성, 교차 염색 패턴 잠재력을 매우 경쟁력 있는 가격으로 제공한다.^[5]

종류

셀룰로스 아세테이트는 혼합 에스터 유도체를 가진 종류가 있다.^[6]

• 셀룰로스 아세테이트 뷰티레이트
• 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트

화학적 및 물리적 특성

셀룰로스 아세테이트의 밀도는 1.26 - 1.31 g/cc이다.^[7]

섬유로서의 활용

가장 초기의 합성섬유 중 하나인 셀룰로스 아세테이트 섬유는 면이나 나무 펄프 셀룰로스("생체고분자")를 기반으로 한다. 이 "셀룰로스 섬유"는 최근 수십 년 동안 더 저렴한 석유 기반 섬유(나일론 및 폴리에스터)로 많은 응용 분야에서 대체되었다.^[8]

아세테이트의 상표명으로는 Acele, Avisco, Celanese, Chromspun, Estron 등이 있다.^[9]

아세테이트는 레이온과 많은 유사점을 공유하며, 이전에는 같은 직물로 간주되었다. 아세테이트는 생산 과정에서 아세트산을 사용한다는 점에서 레이온과 다르다. 이 두 직물은 이제 의류 라벨에 명확하게 구분하여 표시해야 한다.^[10]

레이온은 열에 강한 반면 아세테이트는 녹기 쉽다. 아세테이트는 손세탁 또는 드라이클리닝으로 조심스럽게 세탁해야 한다.^[11][12]

직물의 통기성 특성 때문에 안감으로 사용하기에 적합하다. 아세테이트 직물은 웨딩드레스와 다른 신부 의상에 자주 사용된다.^[13] 광택 있는 윤기와 부드럽고 새틴 같은 질감은 견섬유에 좋은 대안이 된다.^[11]

특성

아세테이트는 드레이프성이 좋은 저렴한 인조 섬유이다. 아세테이트는 광택, 부피, 드레이프, 아름다움을 강조하기 위해 새틴, 브로케이드, 니트 직물, 호박단과 같은 직물에 사용된다.

• 촉감: 부드럽고 매끄럽고 건조하며 바삭하고 탄력적이다.
• 편안함: 통기성이 좋고 땀을 흡수하며 빨리 건조되고 정전기가 발생하지 않는다.
• 드레이프: 몸에 맞춰 움직이는 안감은 의복에 잘 맞는다.
• 색상: 대기 염색으로 깊고 선명한 색상이 견뢰도 요구 사항을 충족한다.
• 광택: 빛 반사로 독특한 외관을 만든다.
• 성능: 땀 얼룩에 대한 색견뢰도, 드라이클리닝에 대한 색견뢰도, 공기 및 증기 투과성
• 인장 강도: 1.2~1.4 g/d의 파괴 인장 강도를 가진 약한 섬유로, 젖으면 빠르게 강도를 잃는다.
• 마모: 저항성이 약하다.
• 보온성: 보온성이 낮음; 알레르기 유발 가능성이 없음(저자극성)
• 염색성: (두 가지 방법) 한 섬유의 원사와 다른 섬유의 원사를 원하는 패턴으로 직조하는 교차 염색 방법; 용액 염색 방법은 햇빛, 땀, 공기 오염 물질 및 세탁의 영향에도 탁월한 색견뢰도를 제공한다.^[2][14]

특징

• 셀룰로스성 및 열가소성 플라스틱
• 특정 유기 화학 물질의 낮은 수준 선택적 흡수 및 제거
• 가소제, 열, 압력으로 쉽게 접착 가능
• 아세테이트는 많은 일반 용매(특히 아세톤 및 기타 유기 용매)에 용해되며 물을 포함한 대체 용매에 용해되도록 변형될 수 있다.
• 친수성: 아세테이트는 쉽게 젖고 액체 이동이 좋으며 흡수성이 탁월하다. 직물 응용 분야에서는 편안함과 흡수성을 제공하지만 젖으면 강도를 잃는다.
• 아세테이트 섬유는 저자극성이다.
• 높은 표면적
• 목재 펄프로 만들어진 재생 가능한 자원
• 퇴비화 또는 소각 가능
• 염색 가능, 그러나 아세테이트는 면과 레이온에 일반적으로 사용되는 염료를 받아들이지 않으므로 특수 염료와 안료가 필요하다 (이것은 교차 염색도 가능하게 한다).
• 곰팡이 및 백선균에 강함
• 강한 알칼리 용액 및 강한 산화제에 의해 쉽게 약해진다.
• 일반적으로 세탁 또는 드라이클리닝 가능; 일반적으로 수축되지 않는다.

셀룰로스 트리아세테이트와의 혼동

셀룰로스 디아세테이트와 셀룰로스 트리아세테이트는 같은 섬유로 오인되지만, 유사하더라도 화학적 정체성이 다르다. 트리아세테이트는 하이드록실기가 없는 일반적인 설명 또는 1차 아세테이트로 알려져 있다. 아세테이트 섬유는 2개 이상의 하이드록실기를 가진 변형 또는 2차 아세테이트로 알려져 있다. 트리아세테이트 섬유는 미국에서는 더 이상 생산되지 않지만, 아세테이트 섬유보다 아세테이트-셀룰로스 비율이 더 높다.^[2]

필름

셀룰로스 디아세테이트와 이후 셀룰로스 트리아세테이트로 만든 셀룰로스 아세테이트 필름은 이전에 표준이었던 셀룰로스 질산염 필름 스톡을 대체하기 위해 1934년에 도입되었다. 열이나 습기에 노출되면 필름 베이스의 산이 사용 불가능한 상태로 분해되기 시작하여 특징적인 식초 냄새가 나는 아세트산을 방출하며, 이 과정을 "식초 증후군"으로 알려져 있다. 아세테이트 필름 스톡은 동영상의 카메라 네거티브와 같은 일부 응용 분야에서 여전히 사용된다. 1980년대 이후 폴리에스터 필름 스톡 (때로는 코닥의 상표명 "ESTAR 베이스"로 언급됨)이 특히 보존용 응용 분야에서 더 흔해졌다. 아세테이트 필름은 또한 폴리에스터 필름이 등장하기 전에 자기 테이프의 베이스로 사용되었다.

자기 테이프

셀룰로스 아세테이트 자기 테이프는 1952년 IBM이 IBM 701 컴퓨터의 IBM 726 테이프 드라이브에 사용하기 위해 도입했다. 이것은 1951년 유니박이 유니박 I 컴퓨터의 유니서보 테이프 드라이브에 사용하기 위해 도입한 금속 테이프보다 훨씬 가볍고 다루기 쉬웠다. 1956년, 셀룰로스 아세테이트 자기 테이프는 IBM 727 테이프 드라이브에 사용하기 위해 더 안정적인 PET 필름 자기 테이프로 대체되었다.

기타 제품

직물, 섬유 또는 플라스틱으로 사용 가능한 재료 특성 때문에 셀룰로스 아세테이트는 다양한 제품을 제조하는 데 사용된다. 예를 들어, 직물 분야에서 아세테이트는 드레스, 블라우스, 파티 의상, 상패 리본, 단추, 가정용 가구, 커튼 및 실내 장식 등을 만드는 데 활용된다. 플라스틱 안경 프레임도 기저귀, 잉크 저장통, 담배 필터와 같은 흡수성 제품과 마찬가지로 아세테이트로 자주 제조된다. 레고 블록은 원래 1949년부터 1963년까지 아세테이트로 제조되었으며, Kem 및 모디아노 플래티넘과 같은 일부 고급 플레잉 카드 브랜드도 아세테이트로 만들어진다. 마지막으로 오버헤드 프로젝션용 투명 필름도 아세테이트 시트로 자주 생산된다.

생산

셀룰로스 아세테이트 제조

연방거래위원회의 아세테이트 섬유 정의는 다음과 같다: "섬유 형성 물질이 셀룰로스 아세테이트인 인조 섬유. 하이드록실기의 92% 이상이 아세틸화된 경우, 트리아세테이트라는 용어를 섬유의 일반적인 설명으로 사용할 수 있다."

아세테이트는 처음에 목재 펄프를 정제된 부드러운 흰색 셀룰로스로 해체함으로써 셀룰로스에서 파생된다. 좋은 제품을 제조하기 위해 용해 펄프와 같은 특수 품질의 펄프가 사용된다. 셀룰로스의 불균일한 반응성은 셀룰로스 아세테이트 제품의 품질에 영향을 미치는 일반적인 문제이다. 셀룰로스는 아세트산, 아세트산 무수물과 황산의 존재 하에 반응한다. 그런 다음 통제된 부분 가수분해를 거쳐 황산염과 충분한 수의 아세테이트 그룹을 제거하여 제품에 원하는 특성을 부여한다. 무수포도당 단위는 셀룰로스의 기본 반복 구조이며 아세테이트 에스터를 형성할 수 있는 세 개의 하이드록실 그룹을 가지고 있다. 가장 일반적인 형태의 셀룰로스 아세테이트 섬유는 세 개의 하이드록실 중 약 두 개에 아세테이트 그룹이 있다. 이 셀룰로스 디아세테이트는 2차 아세테이트 또는 단순히 "아세테이트"로 알려져 있다.

형성된 후, 셀룰로스 아세테이트는 아세톤에 용해되어 방사 노즐(샤워 헤드와 유사)을 통해 압출하기 위한 점성 용액을 형성한다. 필라멘트가 나올 때, 건조 방사를 통해 따뜻한 공기에서 용매가 증발하여 미세한 셀룰로스 아세테이트 섬유가 생성된다.

최초의 미국 상업용 아세테이트 섬유는 1924년 셀라네세 코퍼레이션에서 생산되었다. 현재 미국의 아세테이트 섬유 생산 업체는 셀라네세와 이스트만 케미컬 컴퍼니이다.

방법

오늘날까지 셀룰로스 아세테이트의 직접 생산 공정은 발견되지 않았다. 셀룰로스의 부분 에스터화 시도가 비아세틸화된 셀룰로스와 완전히 아세틸화된 셀룰로스의 혼합물만을 초래하므로 2단계 합성이 적용된다. 셀룰로스는 항상 먼저 셀룰로스 트리아세테이트로 완전히 전환된 후 가수분해를 통해 에스터화도가 낮은 셀룰로스 아세테이트로 전환된다.

목재 펄프 또는 면 린터에서 정제된 셀룰로스는 빙초산, 아세트산 무수물 및 촉매와 혼합된다. 혼합물은 20시간 동안 숙성되는 동안 부분 가수분해가 발생하고 산성 수지가 플레이크 형태로 침전된다. 이들은 아세톤에 용해되고 용액은 필터링을 통해 정제된다. 용액은 따뜻한 공기 기둥에서 방사에 의해 압출된다. 용매는 회수된다. 필라멘트는 늘려지고 빔, 콘 또는 보빈에 감겨 사용 준비가 된다. 필라멘트는 최종적으로 섬유로 방사된다.

생산은 다음 공정 단계로 나뉜다.^[15][16][17]

• 펄프의 기계적 컨디셔닝: 일반적으로 롤 또는 시트 펄프로 제공되는 펄프는 함메르밀 및 디스크 리파이너와 같은 다양한 종류의 파쇄기로 섬유화되며, 두 종류의 파쇄기를 연속적으로 배열하여 최적의 용해를 보장한다.
• 화학적 전처리: 섬유화된 셀룰로스는 아세트산(필요한 경우 소량의 황산 첨가)으로 25°C ~ 50°C에서 약 1시간 동안 적당히 교반하여 처리하며, 이로 인해 섬유 입자 사이의 공간에서 아세트산이 연속적으로 증발 및 응축된다. 이것은 셀룰로스 입자를 팽창시켜 다음 공정 단계에서 용매 입자가 이 입자로 확산되는 것을 용이하게 한다. 이 아세트산 증기 전처리 외에도 얇은 펄프 상태의 전처리도 있다. 이 공정에서는 셀룰로스를 다량의 물 또는 희석된 아세트산에 도입하고 집중적으로 교반한다. 프레스 또는 원심분리와 같은 후속 공정 단계는 펄프의 셀룰로스 농도를 지속적으로 증가시킨다. 동시에 아세트산이 점점 더 높은 농도로 첨가된다. 이 공정의 장점은 셀룰로스 층을 교반 탱크에 직접 추가할 수 있으므로 파쇄를 절약할 수 있다는 것이다.
• 셀룰로스의 아세틸화: 셀룰로스 아세테이트의 상업적 생산에서는 일반적으로 아세트산 공정 또는 염화메틸렌 공정이 아세틸화에 사용된다. 아세트산 공정에서는 전처리된 셀룰로스 덩어리를 용매 아세트산과 과량의 아세트산 무수물(에스터화제로 작용) 및 촉매로서 황산으로 구성된 아세틸화 혼합물에서 강력한 기계적 혼합 하에 반응시킨다. 이 반응은 매우 발열성이므로 반응 용기의 집중적인 냉각이 필요하다. 섬유 펄프에서 고점도 투명 반응 혼합물이 형성되면 물을 첨가하여 에스터화 공정을 종료한다. 이 용액은 젤이 없어야 하며 원하는 점도를 가져야 한다. 염화메틸렌 공정에서는 아세틸화 혼합물에서 아세트산 대신 염화메틸렌을 용매로 사용한다. 저끓점 염화메틸렌은 증류에 의해 쉽게 제거될 수 있으므로 고점도 용액에서도 공정 제어가 가능하다. 낮은 온도에서도 셀룰로스 트리아세테이트를 매우 잘 용해시킬 수 있다. 소량의 황산을 촉매로 사용할 수 있지만, 종종 과염소산도 사용된다. 그러나 아세트산은 일반적으로 반응의 부산물로도 형성되므로 용매는 궁극적으로 염화메틸렌, 아세트산 무수물 및 아세트산의 혼합물이 된다. 매우 드문 불균일 공정은 최종 제품으로 셀룰로스 트리아세테이트 생산에만 사용되는 섬유 아세테이트 공정이다. 이 공정에서는 셀룰로스를 비용매(예: 벤젠)에 현탁시키고 과염소산을 촉매로 하여 아세트산 무수물과 에스터화시킨다.
• 부분 가수분해: 원하는 2차 셀룰로스 아세테이트 유형은 가수분해를 통해 셀룰로스 트리아세테이트에서 얻어진다. 이를 위해 트리아세테이트 용액은 교반 및 가열 시 물을 첨가하여 산 촉매(일반적으로 황산)의 존재 하에 일반적으로 60°C ~ 80°C로 가열된다. 가수분해는 황산의 농도, 물의 양 및 온도를 제어하여 원하는 분자 분해(사슬 절단)가 달성되도록 한다. 가수분해 공정은 염기성 염(예: 아세트산 나트륨 또는 아세트산 마그네슘)을 첨가하여 산 촉매를 중화함으로써 중지된다.
• 셀룰로스 아세테이트의 침전: 희석된 아세트산을 사용하여 반응 용액에서 셀룰로스 아세테이트를 침전시킬 때 균일하고 쉽게 세척할 수 있는 셀룰로스 아세테이트 플레이크를 얻는 것이 중요하다. 침전 전에 존재하는 염화메틸렌은 완전히 증류되어야 한다. 그런 다음 아세트산을 회수한다.
• 세척 및 건조: 일반적으로 역류로 이루어지는 집중적인 세척을 통해 아세트산은 플레이크에서 가장 작은 흔적까지 제거되어야 한다. 그렇지 않으면 건조 과정에서 손상("탄화")이 발생한다. 세척액을 압착한 후, 플레이크는 뜨거운 공기가 흐르는 컨베이어 벨트 건조기에서 약 2~5%의 잔류 수분 함량으로 건조된다. 이후에 매우 고품질의 열 안정성, 밝은 색상 및 색상 안정성 열가소성 성형 화합물을 생산하기 위해 셀룰로스 아세테이트 플레이크는 최종 건조 전에 추가 공정 단계에서 표백 및 안정화된다(열 분해 및 변색 최소화).
• 플레이크 혼합: 최종 단계는 다른 플라스틱 가공과 유사하다. 셀룰로스 아세테이트 플레이크를 적절한 가공 공장으로 운반하는 수집 용기로 운반하기 전에 플레이크는 정밀하게 제어된 방식으로 혼합된다. 이것은 다른 생산 배치에서 셀룰로스 아세테이트의 편차를 보상하기 위함이다. 많은 추가 가공 단계에서 플레이크는 일반적으로 미세 분말로 분쇄된다. 사출 성형과 같은 플라스틱 가공 방법에서 셀룰로스 아세테이트를 사용하려면 분말은 적절한 가소제 및 열, 풍화, UV 및 IR 안정화를 위한 기능성 첨가제와 같은 다른 첨가제와 혼합되어야 한다.^[18] 혼합물은 해당 후속 가공 요구 사항에 맞게 조정될 수 있다. 용융으로 생산된 화합물에서 플라스틱 가공업체에 제공될 수 있는 과립이 생산된다.

폐기 및 분해

2008년 전 세계 CA 재료 생산량은 연간 800,000 tonne (790,000 롱톤; 880,000 쇼트톤) 이상이었다. 처음에는 CA가 사실상 비생분해성으로 여겨졌지만, 초기 부분 탈아세틸화 이후 폴리머의 셀룰로스 골격은 셀룰레이스 효소에 의해 쉽게 생분해되는 것으로 나타났다. 생물학적으로 활성이 높은 흙에서 CA 섬유는 4~9개월 후에 완전히 파괴된다. 광분해는 280 nm 또는 더 짧은 파장의 UV 조사에서 최적이며 TiO₂ 안료에 의해 향상된다.^[19] CA 담배 필터는 야외에서 분해되는 데 수년이 걸린다.^[20][21]

상표명

셀룰로스 아세테이트는 테나이트 (이스트만 케미컬 컴퍼니), 자일 및 자일로나이트,^[2] 셀론(독일 아일렌부르크의 도이체 셀룰로이드 파브릭),^[22] 및 로이드(프랑스 파리의 소크 데 우진 심 론-풀랑크; 영국 런던의 메이 앤 베이커 Ltd.)와 같은 다양한 상표명으로 판매된다.^[22] 셀라네스(영국 더비셔)에서 제조한 셀룰로스 아세테이트 주조 필름은 클라리포일로 판매된다.^[23]

기타 셀룰로스 에스터

셀룰로스 아세테이트 뷰티레이트 (CAB, 테나이트 II) 및 셀룰로스 아세테이트 프로피오네이트는 셀룰로스의 관련 유도체로, 둘 다 잉크 및 코팅에 사용된다. 이들과 셀룰로스 아세테이트의 주요 차이점은 더 넓은 범위의 용매에 대한 용해도이다. CAB는 강도와 기름 및 휘발유에 대한 저항성 때문에 공구 손잡이에 널리 사용된다.^[24]

같이 보기

• 안전 필름
• 스텔스기
• 직물
• 레이온