셀룰로오스는 자연에서 발견되는 가장 풍부한 다당류입니다. 이는 이른바 글리코시드 결합이라는 에테르기에 의해 공유 결합된 6각 에테르 고리(D-글루코스 또는 덱스트로스)로 이루어진 선형 중합체입니다. 일반적으로 수천 개의 포도당 반복 단위가 셀룰로오스 중합체를 구성하고 셀룰로오스 및 그 유도체는 가수분해로 포도당 분자가 생성되므로 축합 중합체로 간주될 수 있습니다.
주요 고분자 사슬의 고리 구조와 강력한 수소 결합으로 셀룰로오스는 견고한 구조를 만듭니다. 따라서 셀룰로오스와 그 유도체의 일부는 높은 유리 전이 온도와 융점을 가지고 있습니다. 하이드록실기 사이의 강한 분자 간 수소 결합은 반응물에 대한 접근성이 낮은 고도로 질서화된 결정 영역으로 이어진다. 이는 셀룰로오스가 수용성인 이유와 하이드록실기를 반응물에 접근할 수 있도록 구조를 분해하기 위해 가성소다와 같은 강한 알칼리가 필요한 이유를 설명한다.
셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 유기 폴리머이며 식물 1차 세포벽의 중요한 구조적 구성 요소입니다. 면 섬유의 셀룰로오스 함량은 약 90%입니다. 당연하게도 많은 반합성 셀룰로오스 유도체의 주요 원료입니다.
[에스테르셀룰로오스] 가장 중요한 셀룰로오스 에스테르는 셀룰로오스 아세테이트(CAC)와 코에스테르 인셀룰로오스 아세테이트-프로피오네이트(CAP) 및 셀룰로오스 아세테이트-부틸레이트(CAB)입니다. 이 중에서 셀룰로오스 아세테이트는 단연 가장 중요한 셀룰로오스 에스테르입니다. 그것은 처음에는 사진 필름에 사용되었고 나중에 비행기의 직물 코팅으로 사용되었습니다. 셀로판과 마찬가지로 셀룰로오스로 만들어지지만 매우 다른 특성을 가지고 있지만 셀로판과 달리 열가소성으로 가열하면 부드러워지고 녹습니다.
셀룰로오스의 가장 일반적인 공급원은 면 린터입니다. 섬유는 촉매로 황산을 사용하여 빙초산 및 무수초산과 혼합된다. 이는 셀룰로오스 트리아세테이트를 생성하고 후속 단계에서 물을 첨가하여 반응을 멈추고 트리아세테이트를 부분적으로 가수분해합니다.
셀룰로오스 아세테이트는 수정처럼 맑고 단단하며 유연한 플라스틱으로 가장 안정적인 셀룰로오스 유도체입니다. 유기 및 무기약산, 탄화수소, 식물유 등에 대한 우수한 내화학성을 가지고 있습니다. 대부분의 경우 가소제가 첨가되어 유연성을 더욱 향상시키거나 유연성, 인성 및 내습성이 개선된 부틸레이트 아세테이트 및 프로피오네이트-아세테이트와 같은 셀룰로오스 혼합 에스테르가 제조됩니다.
[에테르 셀룰로오스] 셀룰로오스 에테르는 목재 펄프 또는 면 린터로 제조됩니다. 셀룰로오스는 셀룰로오스와 유사한 공정으로 수산화나트륨 용액으로 처리되며, 후속 단계에서 알킬할라이드 또는 에폭시드로 처리한다. 첫 번째 방법은 에틸셀룰로오스 제조에 자주 사용되지만, 두 번째 방법은 하이드록시에틸 및 하이드록시프로필셀룰로오스 제조에 사용됩니다. 대안으로 알칼리 셀룰로오스는 알킬술페이트로 처리할 수 있다. 가장 중요한 변성 셀룰로오스 중합체는 메틸셀룰로오스(MC)와 에틸셀룰로오스(EC)입니다.
기타 상업적으로 중요한 셀룰로스 에테르에는 하이드록실프로필셀룰로오스(HPC), 하이드록시에틸셀룰로오스(HEC) 및 카르복시메틸셀룰로오스 CMC가 포함됩니다. 이러한 폴리머는 알칼리 셀룰로오스를 에폭시도(HPC, HEC) 또는 클로로아세테이트(CMC)로 처리하여 생산할 수 있습니다.
메틸셀룰로오스(MC)는 가장 중요한 상업용 셀룰로오스 에테르입니다. 또한 메톡시기가 하이드록시기로 대체된 가장 단순한 유도체이기도 합니다. 이 비이온성 고분자의 가장 중요한 특성은 수용성과 열에 노출되었을 때의 겔화입니다. 물에 용해되지만 메틸셀룰로오스로 만들어진 필름은 일반적으로 강도를 유지하고 습기에 노출되면 끈적거리지 않습니다. 메틸셀룰로오스로 만들어진 폴리머 필름은 실온(75°F)에서 강도(60-70MPa)가 우수하고 연신률(5-15%)이 낮지만 온도가 증가함에 따라 강도가 급격히 감소합니다. MC는 또한 UV, 내유성, 내용제성이 우수합니다.
에틸셀룰로오스(EC)는 또 하나의 중요한 상업용 셀룰로오스 에테르 유도체입니다. 완전한 에테르화가 가능하지만 트리에틸 셀룰로오스를 생성하는 것은 일반적으로 글루코스 단위당 2-2.5개의 에테르화가 가능합니다. 이 폴리머는 상온에서 뛰어난 강도를 가지고 있지만 온도가 상승함에 따라 강도가 급격히 저하됩니다.
에테르기의 수가 적을수록 인성은 커지고 용해도는 낮아지지만 가소제나 기타 첨가제와의 상용성은 저하됩니다.부분적으로 가수분해된 셀룰로오스 에테르 및 에스테르도 열경화성 수지로 전환할 수 있습니다. 가교결합은 잔류하이드록실기를 요소포름알데히드, 멜라민 또는 폴리이소시아네이트와 반응시켜 달성할 수 있습니다.
[질산셀룰로오스(셀룰로이드, Celluloid)]질산 셀룰로오스(NC)는 가장 오래된 열가소성 수지입니다. 그것은 1855년 Alexander Parkes에 의해 발명되었고, 후에 Parkesine, Xylonite 및 Celluloid의 상표로 상업화되었습니다. 원하는 특성을 달성하기 위해 장뇌, 염료, 안정제 및 충전제 등의 기타 첨가제가 추가됩니다.
질산 셀룰로오스 자체는 셀룰로오스 섬유를 질산과 황산의 수용액과 혼합하여 합성됩니다. 섬유는 이 용액에 30~40℃에서 20~60분간 담근 후 생성물을 물과 탄산나트륨 용액으로 반복 세척하여 중화 및 제거합니다.
평균 니트로화 정도는 수분 함량, 욕조 조성, 침지 시간, 반응 조건에 영향을 받습니다. 포도당 반복 단위당 약 2개의 질산염기를 가진 NC는 플라스틱 및 래커로 사용되며, 더 높은 질산염 함량은 폭발물에 사용됩니다.
질산 셀룰로오스는 기계적 성질이 우수합니다. 그러나 셀룰로이드와 같은 NC에서 만들어진 플라스틱은 내후성 및 내열성이 좋지 않고 얇은 산과 염기에 내성이 없으나 물과 비극성 용매에는 불용성이고 안정적입니다. 니트로셀룰로오스는 가연성이 높아 대부분의 용도로 사용하기에는 너무 위험하며 주로 잉크, 코팅, 접착제와 같은 제품의 바인더로 사용됩니다. 다른 성분과 희석하면 가연성이 크게 감소합니다.
셀룰로오스 에스텔과 에테르의 주요 제조사는 아크조 노벨(CMC, EHEC, MEHEC), 애슐랜드(MC, HPMC, CMC), DowChemical(MC, HEC, EC, NC), Eastman(CAC), Daicel(CAC), Mitsubishi Rayon(Regenerated Cellulose), ShinEtsu(MC, HPMC), Solvay(CAC), and Tembec) 등이 있습니다.
셀룰로오스는 주로 종이와 골판지 제조에 사용됩니다. 셀로판, 레이온, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 에테르와 같은 반합성 셀룰로오스 유도체로 전환되는 것은 비교적 소량이다.
가장 중요한 셀룰로오스 에스테르는 셀룰로오스 아세테이트입니다. 그것은 산업 응용 분야에서 널리 사용되며 셀룰로오스 디아세테이트와 셀룰로오스 트리아세테이트의 두 종류로 분류할 수 있습니다. 중요한 용도에는 직물(고품질 직물을 위한 섬유 및 실); LCD 기술용 광학 필름 및 김서림 방지 고글과 같은 플라스틱 필름; 및 셀룰로오스 기반 필터, 창문 상자 및 라벨과 같은 소비자 제품.
혼합 에스테르 CAB와 CAP은 금속 및 목재 코팅, 그라비아 및 플렉소 인쇄 잉크, 그래픽 아트, 잉크젯 인쇄 잉크, 자동차 투명 코팅 및 일반 산업용 코팅을 포함한 많은 용도가 있습니다. 이러한 수지는 멜라민 아크릴 클리어 코트를 포함한 다양한 수지 시스템에서 크레이터, 피쉬아이, 조직 박리 등의 표면 결함을 줄이는 데 도움이 됩니다.
메틸셀룰로오스의 주요 응용 분야는 의료 캡슐, 거품 목욕, 치약, 세제 분말, 쥐독, 빵 반죽 등의 수용성 필름입니다. 메틸 셀룰로오스의 다른 중요한 용도에는 세라믹 타일 접착제 및 그라우트 제제, 벽지 접착제, 샴푸, 화장품 및 열겔화, 점도 조절 및 수용성이 필요한 기타 몇 가지 제품이 있습니다. 이러한 제제에서 이것은 증점제, 결합제, 필름 형성제 및 수분 유지제로서 기능합니다. 예를 들어, 에틸, 카르복시메틸 및 하이드록시에틸셀룰로오스와 함께 메틸셀룰로오스는 많은 식품에서 증점제로 사용됩니다.
에틸셀룰로오스(EC)는 셀룰로오스 아세테이트와 유사하게 플라스틱 필름으로 주로 사용됩니다. 유사한 특성을 가진 더 저렴한 플라스틱이 있기 때문에 메틸 셀룰로오스만큼 널리 사용되지 않습니다. EC는 메틸셀룰로오스와 유사한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. MC와 마찬가지로 다양한 응용 분야에서 결합제, 수분 장벽, 유변학 개질제, 현탁 안정제로 작동합니다.
또 하나의 중요한 셀룰로오스 에테르인 하이드록시에틸셀룰로오스는 증점제, 결합제, 안정제, 필름 형성제 및 보호 콜로이드로서의 용도가 있으며 MC와 마찬가지로 벽판 제조, 표면 코팅의 접착력 향상을 위한 표면 처리용 유제의 성분, 시멘트 배합용 수분 유지제 및 지연제, 벽지 페이스트의 증점제로 사용됩니다.
니트로셀룰로오스(NC)는 훨씬 작은 규모로 사용되며 주로 인쇄 잉크, 접착제, 목재 코팅, 페인트, 락커(악기용)의 바인더로 사용됩니다. 셀룰로이드 플라스틱은 훨씬 작은 규모로 사용됩니다. 주요 용도로는 탁구공, 여과막, 셀룰로이드 필름(1930년대까지)이 있습니다. 질산 셀룰로오스의 큰 단점은 가연성이지만, 이러한 이유로 대부분의 플라스틱 응용 분야에서 셀룰로오스 아세테이트와 비닐 폴리머로 대체되었습니다.