Celluloseacetat (CA)

Geschrieben von: Günther Wiedl

Cellulose ist die am häufigsten vorkommende organische Substanz und stellt weltweit das wichtigste Biopolymer dar. Es ist Hauptbestandteil in pflanzlichen Zellwänden und dient dort der Stabilität. In verholzten Pflanzen spricht man von Lignocellulose. Dieser Komplex besteht aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Die Anteile dieser drei Komponenten variieren je nach Baumart. In Baumwolle erreicht der Celluloseanteil bis zu 90%. Die größte Branche für die wirtschaftliche Nutzung von Cellulose repräsentiert die Papierindustrie. Rund 3% werden als chemisch modifizierte Cellulose (Chemiezellstoffe) genutzt. Vor allem Celluloseester, darunter auch der Thermoplast Celluloseactet, und –ether sind wirtschaftlich interessant.

Aufbau und Herstellung

Cellulose ist ein lineares Biopolymer bestehend aus D(+)-Glucose. Glucose selbst ist ein Kohlenhydrat bzw. Zucker welcher der Gruppe der Hexosen angehört. Glucose kommt in offenkettiger (Furanose) sowie in cyclischer Form (Pyranose) vor. In der Natur spielt die offenkettige Form eine untergeordnete Rolle. Die häufigste Form ist die β-D-Glucopyranose. Die Glucose ist in zu Cellobiose-Einheiten – bestehend aus zwei Glucosemolekülen - zusammengeschlossen welche inter- bzw. intramolekular β-1,4-glycosidisch miteinander verbunden sind.

CELLOBIOSE

Die Struktur erklärt einiges über die Eigenschaften dieses Polymers. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden Pyranose-Einheiten verleihen der Cellulose ein hohes Maß an Kristallinität. Darüber hinaus bewirken die Wasserstoffbrückenbindungen ein Strecken des Moleküls. Diese dichte Form macht die Cellulose in Wasser und organischen Lösungsmitteln quasi unlöslich. Jede nach Außen stehende Hydroxylgruppe kann verestert werden und bestimmt bei Celluloseacetat den Veresterungsgrad bzw. den Gehalt an gebundener Essigsäure. 

Celluloseacetat kann auf zwei verschiedene Wege hergestellt werden – Eisessigverfahren und Methylenchloridverfahren. Dazu müssen die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen werden, was zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Cellulose zur Folge hat.

Im Eisessigverfahren wird durch Umsetzung der Cellulose mit Essigsäureanhydrid in 100%-iger Essigsäure und katalytischen Mengen Schwefelsäure das CA gewonnen. Zunächst bildet sich ein Schwefelhalbester der Cellulose, welcher anschließend acetyliert wird.

Nutzen

Die Abbaubarkeit ist im Wesentlichen vom mittleren Substitutionsgrad abhängig. Damit ist die Substitution der Hydroxylgruppen mit den Acetatgruppen gemeint. Unter geeigneten Kompostierbedingungen ist CA mit einem Substitutionsgrad kleiner 2 abbaubar. Wobei die Abbaugeschwindigkeit deutlich kleiner ist als jene, purer Cellulose. Diese ist sehr gute abbaubar jedoch nicht thermoplastisch verarbeitbar. Je niedriger also der Veresterungsgrad der CA desto niedriger die innere Weichmachung und desto schlechter der thermoplastische Charakter. Somit muss zum Verarbeiten weitere Weichmacher verwendet werden. In der Regel beträgt der Substitutionsgrad größer 2,0 und zudem werden nicht biobasierte Weichmacher eingesetzt. Bei Celluloseacetat wird von einem cellulosebasierten Werkstoffanteil von 20 und 30 Gew.-% ausgegangen. Umgekehrt besteht der Werkstoff also rund 80 Gew-% nicht aus Cellulose sondern aus Essigsäureanhydrid bzw. Essigsäure. Neben dem geringen Celluloseanteil wird bei großtechnischer Produktion Essigsäure und Essigsäureanhydride auf Basis petrochemischen Methanols (Methanol mit Kohlenmonoxid unter Druck) hergestellt sowie die Verwendung weiterer Weichmacher auf fossiler Basis.

Heute wird Celluloseacetat hauptsächlich in Nischen verwendet. Dazu zählen

·         Folien (Verpackungen u.a.)

·         Filter (Zigarettenfilter u.a.)

·         Bedarfsgegenstände (Brillengestelle, Kämme u.a.)

·         Griffe (Regenschirme, Werkzeuge)

·         Kosmetikverpackungen (Parfümverpackungen u.ä.)

Der Preis abbaubarer Celluloseacetat beträgt zwischen 3,5 – 5 €/kg.

 

Quellenverzeichnis:

Chempage.de : http://www.chempage.de/lexi/celluloseacetat.htm ,aufgerufen am 21.10.2012

Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths (2009): Technische Biopolymere – Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften, Hanser Verlag

Jean-Luc Wertz, Olivier Bédué und Jean P.Mercier (2009): Cellulose science and technology, EPFL Press


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Datum: Montag, 11. Februar 2013 21:39
Themengebiet: Allgemein, Faserpflanzen Trackback: Trackback-URL
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