Cellulosenitrat und Celluloseester

Warum Cellulose derivatisiert wird

Cellulose ist ein Poly-β-1,4-Glucose mit drei OH-Gruppen je Einheit, sehr hoher Molmasse und starker Teilkristallinität. Genau deshalb ist sie in Lösemitteln praktisch unlöslich und nicht direkt als Filmbildner brauchbar. Erst die Umsetzung der OH-Gruppen — durch Verestern oder Verethern — macht sie löslich (siehe L-07).

Cellulosenitrat

Cellulosenitrat entsteht durch Verestern der OH-Gruppen mit Salpetersäure (Nitriersäure aus Salpeter- und Schwefelsäure). Chemisch ist es ein Ester, keine Nitroverbindung — die verbreitete Bezeichnung „Nitrocellulose“ ist daher irreführend. Kennzahl ist der Stickstoffgehalt.

Stickstoffgehalt und Löslichkeit

Der theoretische Stickstoffgehalt hängt von der Zahl der Nitratgruppen je Glucose-Einheit ab: eine Gruppe 6,76 %, zwei 11,11 %, drei 14,14 %. Lacktypen liegen dazwischen (Richtwert etwa 11 bis 12 %): niedriger nitrierte sind alkohollöslich (A-Typen), höher nitrierte esterlöslich (E-Typen). Der Stickstoffgehalt ist dabei mehr als nur eine Rechengröße — er beeinflusst wesentlich Löslichkeit, Verträglichkeit mit anderen Bindemitteln und Lösemitteln, Trocknungsverhalten und Filmhärte. Hochnitrierte Cellulose (über etwa 12,5 % N, technisch bis rund 13,5 %; theoretisches Maximum des Trinitrats 14,14 %) ist als „Schießbaumwolle“ ein Explosivstoff und kein Lackrohstoff.

Eigenschaften und Formulierung

Cellulosenitrat trocknet sehr schnell physikalisch (siehe L-02) zu harten, spröden Filmen; allein eingesetzt wären sie zu hart und wenig verformbar. Weichmacher senken die Glasübergangstemperatur und erhöhen die Flexibilität (siehe L-09, L-48) — Cellulosenitrat wird deshalb in vielen Lackformulierungen mit Weichmachern eingesetzt, um Härte und Flexibilität gezielt einzustellen. Je nach Anwendung und Formulierung können weitere Bindemittel wie Alkydharze kombiniert werden, die zugleich die begrenzte Verträglichkeit und Löslichkeit verbessern.

Lösemittel in der Praxis

Die Löslichkeit hängt insbesondere vom Stickstoffgehalt und vom Polymerisationsgrad ab; deshalb werden in der Lackpraxis meist abgestimmte Lösemittelgemische statt einzelner Lösemittel eingesetzt — typisch ist eine Kombination aus Estern (Butylacetat, Ethylacetat) als eigentlichem Löser, Ketonen (Aceton, MEK) und aromatischen Verdünnern (Toluol) zur Kostensenkung und Viskositätsanpassung.

Sicherheit

Cellulosenitrat ist grundsätzlich ein leicht entzündlicher, energiereicher Stoff — mit steigendem Nitrierungsgrad steigt die Gefährlichkeit, weshalb hoch nitrierte Qualitäten grundsätzlich nicht in die Lackpraxis gehören — auch die Lack-Qualität („Lackwolle“) wird zur Sicherheit angefeuchtet gelagert. Bei Lagerung und Verarbeitung gelten die gesetzlichen Vorschriften für leichtentzündliche, lösemittelhaltige Systeme (siehe L-68): Zündquellen fernhalten, Behälter und Anlagen erden, für Belüftung sorgen.

Bildung und Filmbildung

Nitrierung (Veresterung mit Salpetersäure, technisch als Nitriersäure):
  Cell–OH + HNO₃ → Cell–O–NO₂ + H₂O
  (–O–NO₂ = Nitratester; „Nitrocellulose“ ist chemisch unpräzise)

Physikalische Trocknung (ohne chemische Vernetzung):
  Lacklösung → Lösemittel verdunstet → fester Polymerfilm

Celluloseester organischer Säuren

Statt mit Salpetersäure lässt sich Cellulose auch mit organischen Säuren verestern: Celluloseacetat (CA) und vor allem die Mischester Celluloseacetobutyrat (CAB) und -propionat (CAP). Sie sind weniger entzündlich als das Nitrat und licht- sowie wetterbeständiger — sie vergilben deutlich weniger; CAB kann in vielen Lacksystemen Filmbildung, Trocknung, Härte, Verlauf und Blockfestigkeit günstig beeinflussen.

Wo sie eingesetzt werden

Der technische Vorteil ist bei beiden derselbe: staubtrocken in Minuten, ohne Ofen und ohne Reaktion.

• Cellulosenitrat, Möbel- und Holzlacke — der klassische Einsatz: schleifbar nach kurzer Zeit, mehrere Schichten am selben Tag, jede Schicht löst die vorige wieder an (siehe L-123).
• Cellulosenitrat, Reparatur- und Sonderlacke — früher der Standard in der Fahrzeugreparatur, heute aus Emissionsgründen weitgehend abgelöst; geblieben sind Nagellacke, Lederlacke und Effektlacke.
• Cellulosenitrat, Druckfarben — Flexo- und Tiefdruck auf Papier und Folie, dort wegen der sehr schnellen Trocknung (siehe L-143).
• CAB und CAP, Automobil-Metalliclacke — als Zusatz zum Bindemittel, wo sie die Aluminiumpigmente beim Trocknen ausrichten und in Lage halten; das entscheidet über den Flop.
• CAB und CAP, Holz- und Kunststofflacke — als Zusatz für Verlauf, Blockfestigkeit und schnelles Antrocknen, lichtbeständiger als das Nitrat.

Merksatz