Cellulosenitrat

Strukturformel
Allgemeines
Name	Cellulosenitrat
Andere Namen	Nitrozellulose Schießbaumwolle Blitzwatte
CAS-Nummer	9004-70-0
Art des Polymers	Biopolymer
Kurzbeschreibung	weiße, faserige Masse
Monomer
Monomer	β-D-Glucose (teilweise nitriert)
Summenformel	C6H7O11N3
Molare Masse	252,14 bis 297,14 g·mol−1 pro Monomereinheit (abhängig vom Nitrierungsgrad)
Eigenschaften
Aggregatzustand	fest
Dichte	1,23 g·cm−3 [1]
Schmelzpunkt	160–180 °C [2]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [2] Gefahr
H- und P-Sätze	H: 201
	EUH: keine EUH-Sätze
	P: ?
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I[2] Explosions- gefährlich (E)
R- und S-Sätze	R: 3
	S: (2)-35
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Cellulosenitrat (auch: Zellulosenitrat) ist eine weiße, faserige, geruch- und geschmackslose Masse. Sie wird umgangssprachlich auch als Schießbaumwolle oder Nitrocellulose (oder Nitrozellulose) bezeichnet. Letztere Bezeichnung ist gemäß der IUPAC-Nomenklatur problematisch, denn es handelt sich nicht um eine RC–NO₂-Bindung, wie es das Präfix „Nitro-“ verlangt, sondern um einen Salpetersäureester der Cellulose.

Geschichte

Die „Schießbaumwolle“ wurde 1846 sowohl von Christian Friedrich Schönbein und unabhängig davon im gleichen Jahr auch von dem Chemiker Rudolf Christian Böttger entdeckt. Von beiden wiederum unabhängig stellte der Braunschweiger Professor Friedrich Julius Otto (1809–1870) im gleichen Jahr ebenfalls Schießbaumwolle her und veröffentlichte das Verfahren zum Verdruss von Schönbein und Böttger als erster.^[3]

Gewinnung und Darstellung

Cellulosenitrat wird in der chemischen Industrie durch Umsetzung von Cellulose mit Nitriersäure hergestellt. Formal gesehen handelt es sich um die Reaktion eines Alkohols mit einer Säure zu einem Ester. Der Stickstoffgehalt des herzustellenden Cellulosenitrats wird durch Zusammensetzung der Nitriersäure und die Reaktionsdauer geregelt. Bei einem Stickstoffgehalt > 12,75 % handelt es sich dann überwiegend um Cellulosetrinitrat (Schießbaumwolle), bei einem Gehalt < 12,75 % um Cellulosedinitrat (Kollodiumwolle).

Umsetzung von Cellulose zu Cellulosetrinitrat

Nach der Reaktion wird die restliche Nitriersäure mit Wasser ausgewaschen, bis das Cellulosenitrat den pH-Wert 7 annimmt, da sonst Spuren von restlicher Salpetersäure eine Selbstentzündung bewirken können. In früherer Zeit ist es in den Fabriken häufig zu Explosionen gekommen, da Verunreinigungen in den Fasern wie die als Nebenprodukt gebildeten Schwefelsäureester Spontanzersetzungen des Cellulosenitrats bewirkten. Erst 1864 entdeckte der Engländer Frederick Augustus Abel, dass sie durch eine feuchte Zerkleinerung im Papierholländer völlig stabilisiert werden kann.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

• Explosionstemperatur: ca. 3100 °C
• Bleiblockausbauchung: 37 cm³/g^[4]
• Schlagempfindlichkeit: 3 Nm^[5]
• Stickstoffgehalt: 14,14 % max. (theoretisch), praktisch 13,5 % max.
• Detonationsgeschwindigkeit: 6300 m/s
• Explosionsstärke(TNT-Äquivalent): 147 % von TNT
• Sauerstoffbilanz: −28,7 %^[5] (13,4 % Stickstoffgehalt)^[5]

Chemische Eigenschaften

Cellulosenitrat verbrennt nach Entzündung augenblicklich – auch bei Abwesenheit von Luftsauerstoff – mit gelblicher Flamme zu Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Wasserdampf und Stickstoff. Bei der Verbrennung entsteht, im Gegensatz zu Schwarzpulver, keinerlei für das menschliche Auge sichtbarer Rauch, darum wird Cellulosenitrat auch als rauchloses Pulver bezeichnet.

Verwendung

Kleber auf Cellulosenitratbasis

• Aus Cellulosenitrat wurde früher eine Kunstseide, die sogenannte Chardonnet-Seide hergestellt. Wegen ihrer Feuergefährlichkeit wurde dies jedoch schnell wieder eingestellt.
• Durch Hinzufügen von Campher als Weichmacher entsteht aus Cellulosedinitrat Zelluloid (Kurzzeichen CN). Dieses Material war der erste thermoplastische Kunststoff und diente trotz seiner großen Feuergefährlichkeit als Werkstoff für eine Vielzahl von Produkten. Bis in die 1950er Jahre wurde Zelluloid auch als Träger für fotografische Filme verwendet, bevor man es konsequent durch Sicherheitsfilm ersetzte. Diese Verwendung ist heute noch ein großes Problem: Filmarchive aus dieser Zeit sind durch die Neigung des Materials zur Selbstentzündung und Explosion extrem gefährdet und müssen entsprechend gesichert werden. Noch heute werden aber Tischtennisbälle und einige andere spezielle Produkte aus Zelluloid hergestellt.
• In Aceton, Essigsäureethylester und anderen Lösungsmitteln gelöst kommt Cellulosedinitrat als das namensgebende Bindemittel in Nitrolack zum Einsatz. Da für die vielfältigen Anwendungsgebiete (z.  B. Flexo- oder Tiefdruckverfahren, Leder- oder Holzlack) unterschiedliche Viskositäten der Nitrolacke erforderlich sind, wird bei Cellulosedinitrat durch Überdruckkochung in Autoklaven die Viskosität abgebaut.
• Cellulosetrinitrat wird wegen seiner Raucharmut als Hauptbestandteil von rauchschwachem Schießpulver, Treibladungspulvern und Bergbausprengstoffen, sowie als Komponente in Raketentreibstoffen verwendet. In der Pyrotechnik schätzt man die Raucharmut für Feuerwerkseffekte in geschlossenen Räumen. Es wird in vielen Formen in den Handel gebracht, wie zum Beispiel als Pyrowatte, -papier, -schnur, -flocken oder -chips, die sich durch das Abbrennverhalten voneinander unterscheiden.
• Einige Klebstoffsysteme und Kitte beruhen auf einer Cellulosenitratbasis. (z.B. UHU hart)
• In der Molekularbiologie und Biochemie werden Membranen aus Cellulosenitrat bei verschiedenen Blotverfahren verwendet. Siehe: Southern-Blot, Northern-Blot, Western-Blot.

Sicherheitshinweise

Cellulosenitrat unterliegt dem deutschen Sprengstoffgesetz. Hochnitrierte Schießbaumwolle kann bei Schlag, statischer Entladung und schnellem Erhitzen detonieren. Es verbrennt infolge des hohen Sauerstoffgehalts unabhängig von der Luftsauerstoffzufuhr und kann daher nur mit geeigneten Mitteln, vor allem großen Mengen Wasser, gelöscht werden.

Bei der Einstufung zur Gefahrstoffkennzeichnung gemäß RL 67/548/EWG, wurde in Anhang 1 bis zum Erscheinen der 31. Anpassung (16. Januar 2009) unterschieden zwischen den beiden Nitrierungsstufen „enthält bis 12,6 % Stickstoff“ (leichtentzündlich) und „enthält mehr als 12,6 % Stickstoff“ (explosionsgefährlich); diese Unterscheidung ist seitdem entfallen.

Trivia

• Im Science-Fiction-Roman Von der Erde zum Mond von Jules Verne wird das zum Mond fliegende Geschoss (keine Rakete!) durch 400.000 Pfund Schießbaumwolle beschleunigt.

Einzelnachweise

1. ↑ Datenblatt Cellulosenitrat bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 6. November 2010.
2. ↑ ^{a b c} Eintrag zu Nitrocellulose in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. März 2009 (JavaScript erforderlich).
3. ↑ Itzehoer Wochenblatt vom 29. Oktober 1846, Spalte 1626–1627.
4. ↑ nach „Explosivstoffe“ 9. Auflage.
5. ↑ ^{a b c} Rudolf Meyer: Explosivstoffe, VCH Verlagsgesellschaft, 1985, 6. Auflage, S. 207–210, ISBN 3-527-26297-0.

Literatur

• Richard Escales: Die Schiessbaumwolle (Nitrocellulosen). BoD GmbH Norderstedt 2003, ISBN 3-8311-4954-2.

Weblinks

• Sicherheitsdatenblätter für Nitrozellulose der jeweiligen Hersteller.