Nitroselluloosa

Yhdisteen löytäminen

Ranskalainen kemisti Henri Braconnot havaitsi vuonna 1832 tekemissään tutkimuksissa, että puukuidut muuttuivat voimakkaasti palavaksi materiaaliksi, kun ne kyllästettiin typpihapossa. Braconnot antoi aineelle nimen xyloidiini (ransk. xyloïdine). Vastaavan prosessin havaitsi paria vuotta myöhemmin myös ranskalainen Théophile-Jules Pelouze, joka kyllästi tällä kertaa typpihapolla paperia ja pahvia. Nitroselluloosaa valmisti myös ranskalainen Jean-Baptiste Dumas, joka käytti yhdisteestä nimeä nitramidiini (ransk. nitramidine). (1843) Ranskalaisten löydöillä ei tosin ollut käytännön käyttökohteita, sillä niistä ei ollut käyttökelpoisiksi räjähteiksi muodostuneiden aineiden epävakauden takia.
Nitroselluloosan käyttökelpoisen muodon löysi vahingossa sveitsiläinen kemisti Christian Schönbein vuonna 1845. Avioliitossa eläneen kemistin vaimo oli kieltänyt tätä toteuttamasta kokeitaan kotona, mutta Schönbein jätti ohjeen välillä noudattamatta vaimon ollessa poissa kotoa. Schönbein oli sekoittamassa rikki- ja typpihapoista seosta kotinsa keittiössä, kun happoseosta sisältänyt astia kaatui pöydälle varomattoman käsittelyn seurauksena. Schönbein kuivasi pöydän nopeasti käsiinsä saamaan puuvillaiseen keittiöliinaan, jonka ripusti tämän jälkeen keittiön lieden päälle kuivumaan. Liina syttyi jonkin ajan kuluttua ilmiliekkeihin, paloi ja jätti jälkeensä vain hyvin pienen määrän tuhkaa.
Schönbein jatkoi ilmiön tutkimista ja kehitti menetelmän aineen hallittuun valmistamiseen. Hänen kehittämässään varhaisessa menetelmässä sekoitettiin massan mukaan kolme osaa rikkihappoa yhteen osaan typpihappoa, minkä jälkeen seoksesta otettaisiin pienempi osa erilliseen astiaan, mihin pieni pellavapala kastettaisiin tunnin ajaksi noin 10–15 °C lämpötilassa. Tunnin jälkeen ylimääräinen happoseos kaadettiin pois ja syntynyt nitroselluloosa pestiin runsaassa vedessä ja heikossa kaliumkarbonaattiliuoksessa happojen neutraloimiseksi. Tämän jälkeen nitroselluloosapala pestiin jälleen vedessä ja puristettiin kuivaksi. Lopuksi pala käsiteltiin vielä 0,6-prosenttiseen salpietariliuokseen, puristettiin kuivaksi ja kuivattiin täysin 65 °C lämpötilassa. Schönbein muokkasi prosessia vielä myöhemmin siten, että molempia happoja mitattiin tilavuuden mukaan 14 osaa suhteessa yhteen osaan puuvillaa.
Nitroselluloosa tuotti palaessaan kuusinkertaisen määrän kaasua mustaruutiin nähden, ei palanut yhtä kuumalla liekillä ja tuotti huomattavasti vähemmän näköhaittaa aiheuttanutta savua. Schönbein oli ensimmäinen, joka huomasi nitroselluloosan mahdollisuudet korvata tuolloin käytetty mustaruuti aseiden ajoaineena. Hän jakoi tietoa löydöstään englantilaisille ystävilleen, joille hän lähetti myös näytteen tuottamastaan kemikaalista vuonna 1846. Schönbein ei kuitenkaan jakanut kaikkia tietojaan nitroselluloosaan liittyen, hankkien esimerkiksi patentin kehittämälleen valmistusmenetelmälle. Schönbein jatkokehitti valmistusmenetelmäänsä yhteistyössä Frankfurtin yliopiston tutkija Rudolf C. Böttgerin kanssa, joka oli löytänyt itsenäisesti vastaavan nitroselluloosan valmistusmenetelmän samoihin aikoihin Schönbeinin kanssa. Nitroselluloosan valmistusmenetelmän oli Schönbeinin ja Böttgerin lisäksi löytänyt itsenäisesti Braunschweigissa asunut professori ja tohtori F. J. Otto, joka oli julkaissut valmistusmenetelmänsä vuonna 1846 ennen Schönbeinia ja Böttgeriä.

Varhainen teollinen tuotanto ja onnettomuudet

Schönbeinin löydös herätti varsin pian kiinnostusta useissa ranskalaisissa ja saksalaisissa kemisteissä, jotka lähtivät tutkimaan yhdisteen kemiallisia ominaisuuksia ja mahdollisia variaatioita. Nitroselluloosin tutkimuksen pariin palasi aineen varhaisempiin löytäjiin kuulunut ranskalainen T. J. Pelouze, joka kehitti oman uuden valmistusmenetelmänsä.
Englantilainen John Hall & Sons -yritys osti Schönbeinin valmistusmenetelmän patenttioikeudet vuonna 1846 ja rakensi uuden nitroselluloosatehtaan Favershamiin seuraavan vuoden alulla. Aineen vaaroja ei kuitenkaan täysin ymmärretty, mikä johti tehtaan tuhonneeseen ja useita henkilöuhreja vaatineeseen räjähdykseen 14. heinäkuuta 1847. Tehdas sulkeutui onnettomuuden jälkeen, eikä nitroselluloosan tuotantoa jatkettu Favershamissa ennen vuotta 1873, kun eri yritys avasi uuden tehtaan kaupungin ulkopuolelle.
Favershamin vuoden 1847 onnettomuus ei jäänyt ainoaksi. Toinen tehdas räjähti vain vuotta myöhemmin 17. heinäkuuta 1848 Bouchetissa Pariisin lähellä. Onnettomuudessa räjähti kerralla 1 600 kilogrammaa nitroselluloosaa, ja räjähdys muutti voimallaan tehtaan 0,5–1-metriset seinät tomuksi lennättäen samalla raskasta esineistöä ympäriinsä. Favershamissa, Bouchetissa ja muualla sattuneet onnettomuudet saivat Ranskan ja Saksan hallinnot pohtimaan nitroselluloosan tuotannon järkevyyttä. Kuusivuotisten tutkimuksen jälkeen ranskalainen tutkimuskomissio päätyi suosittamaan nitroselluloosan asekäytön hylkäämistä.

Filmimateriaalina

Nitroselluloosaa käytettiin valokuvien negatiivien ja elokuvan filmin valmistuksessa 1950-luvulle asti. Sen alkoi kuitenkin 1920-luvulla syrjäyttää asetaattifilmi. Nitraattifilmin ongelma oli sen syttymisherkkyys, jopa +40 asteessa, ja siksi sen tilalle pyrittiin kehittämään turvallisempi materiaali. Tampereella paloi vuonna 1927 elokuvateatteri Imatra, ja palossa kuoli 20 ihmistä. Elokuvien tulenarka nitraattifilminauha on aina 35 mm:n levyistä ja yleensä mustavalkoista. Kapeammat kaitafilmit eivät ole nitroselluloosaa.

Valmistusprosessi

Nitroselluloosan valmistusprosessi on eksoterminen ja valmis nitroselluloosa on neutraloitava erittäin huolellisesti tulipalojen ja räjähdysten välttämiseksi. Kaupallinen nitroselluloosa pestään keittämällä monta kertaa ja stabilointiaineita kuten difenyyliamiinia lisätään.

Ominaisuudet

Nitroselluloosa kuuluu niihin harvoihin räjähteisiin, jotka saa palamaan sytyttämällä esimerkiksi tulitikulla. Täysin nitrattu (typpeä 14,17 %) selluloosa palaa erittäin nopealla vauhdilla. Pumpulista valmistettu vanumainen nitroselluloosa palaa niin nopeasti, että pienen palan voi polttaa kämmenellä tuntematta lainkaan kuumuuden aiheuttamaa kipua.
Nitroselluloosa on myös kohtalaisen iskuherkkä, ja esimerkiksi kova vasaran isku aiheuttaa detonaation. Myös suuren määrän sytyttäminen tai suljetussa tilassa sytyttäminen johtaa helposti detonaatioon. Maksimi detonaationopeus on noin 7300 m/s (typpeä 13,35 %).
Nitroselluloosa liukenee asetoniin, nitrometaaniin sekä joihinkin asetaattiestereihin.
Nitrattu selluloosa on luja polymeeri ja etenkin sen vähemmän nitrattua laatua (selluloidia) käytetään lakoissa sekä pingispalloissa.
Nitroselluloosan valmistus on suosittu koe kouluissa ja kemistien keskuudessa.