醋酸丁酸纤维素的性质及其应用

醋酸丁酸纤维素， 简称CAB ， 分子式为[C6H7O2(OCOCH3)X(OCOC3H7)Y(OH)3-X-Y]n。可用乙酸或丁酸处理纤维素，然后用乙酸、乙酐、丁酸、丁酸酐的混合液在硫酸催化作用下进行酯化而制得。

国际上最早是在上世纪30 年代中期，由美国伊士曼柯达公司首先将它推向工业应用，由于它的优异性能而得到迅猛的发展。由于国外技术垄断，国内CAB 供给主要依靠进口。市面上出售的醋酸丁酸纤维素产品型号主要有伊士曼公司生产的CAB-551-0.2、CAB-381-0.5、CAB-381-2、CAB-151-0.7；无锡化工设计院批量生产的CAB-151-0.7、CAB-151-10、CAB-151-15 、CAB-381-0.5 、CAB-381-2 、CAB-381-20 、CAB-551-0.01、CAB-551-0.2。

本文对醋酸丁酸纤维素的性质、合成方法及应用领域进行了归纳总结，希望能给纤维素化学的研究人员提供参考。

1 醋酸丁酸纤维素的性质

醋酸丁酸纤维素为纤维素分子中羟基为乙酸及丁酸共同酯化所成的纤维素酯，为热塑性树脂，含乙酰基12%-15%(质量百分数)，含丁酰基26%-39%，透明至不透明白色颗粒，密度1.15-1.22，熔融温度140℃，长期使用温度60-104℃。拉伸强度14～52 MPa，弯曲模量621～2070 MPa，悬臂梁缺口冲击强度53～580 J/m，洛氏硬度R31～116。热变形温度45～94 ℃。韧性、耐候耐寒性及电绝缘性良好，容易加工。它具有优良抗湿，耐紫外光、耐寒、柔韧、透明、电绝缘等性能，并能与树脂和高沸点增塑剂有较好的相容性。

相比传统的乙酸纤维素，CAB 可溶性范围更宽，其不仅溶解在强极性溶剂中，高丁酯含量的醋酸丁酸纤维素甚至可溶于醇类溶剂，这使其广泛应用于木器涂料、塑料涂料等涂料品种中，改善涂料流动性能、流平性、户外耐久性、颜料定向性和柔韧性等。

在涂料工业中，CAB 是最常用的一种纤维素有机酸酯。随着CAB 中丁基含量的增加，涂料的弹性、流动性、溶解性、羟基的稳定性及与其它材料的相容性都有所提高；但同时耐化学性、耐油性和刚性会有所下降。随着纤维素酯分子量的增加，材料的相容性、溶解性以及不挥发物的最大含量会下降，刚性、熔点会提高，硬度和密度则变化不大。羟基含量会影响涂料的耐潮性和韧性：当羟基含量提高时，这两种性能都会下降；同时，涂料的硬度，CAB 溶液耐水性、乙醇性及对亲电交联剂的反应能力都会随着羟基含量的增加而增加。

 2 醋酸丁酸纤维素的合成

 目前工业上纤维素有机酸酯的生产主要是在非均相体系下进行的。合成醋酸丁酸纤维素的方法主要为：在丁酸／乙酸／丁酸酐反应体系中，以硫酸为催化剂。醋酸丁酸纤维素的乙酰基和丁酰基取代度可以通过有机酸或者有机酸酐的添加量来调节。

2.1 非均相合成
        以纤维素为原料，乙酐、正丁酸为酰化剂，浓硫酸为催化剂，合成了醋酸丁酸纤维索。FT-IR 分析证实了酯化产物的生成，也通过分析表征了产物的结晶结构和聚合度。

 通过在丁酸／乙酸／丁酸酐反应体系中，添加一定量的硫酸作为催化剂下合成出从高丁酯含量到低丁酯含量的醋酸丁酸纤维素酸，考察酯化反应时间以及CAB 的丁酯和乙酯含量对产品热性能及溶解性的影响。

经过系统地研究纤维素酯化反应及纤维素酯部分水解过程中的影响因素，确定了生产高丁酰基含量醋酸丁酸纤维素的工艺条件。酯化条件为：酯化温度30℃，酯化时间4 h，催化剂用量为精制棉短绒质量分数的4％，酯化剂丁酐与精制棉短绒质量比为4.45:1；水解条件为：水解温度50～55℃，水解时间5 h，丁酸水解液中水质量分数为20.88％。在此条件下生产的醋酸丁酸纤维素丁酰基含量较高，可稳定在50％~55％范围内。

2.2 均相合成
       值得注意的是：硫酸同时具有氧化、磺化、脱水和异构化作用，导致一些副反应发生。反应产物后处理复杂，并有大量的废液污染环境,腐蚀设备。为此，国内外努力采取一些有效的合成方法。

通过以微晶纤维素和蔗渣纤维素为原料，以绿色无毒的离子液体为反应介质均相制备出醋酸丁酸纤维素，此法具有工艺流程短、无须任何催化剂、反应条件温和及对环境无污染等优点，具有实现CAB 清洁生产的潜在优势。

3 醋酸丁酸纤维素的应用

 醋酸丁酸纤维素由于具有良好的性能可广泛用于塑料和涂料工业，如：制备电影片基、空中摄影片基、薄膜、油田天然气等输送管道、工具手柄、汽车、飞机的玻璃灯、地下电话线和电缆管、方向盘、标牌面、闪光反射器等。此外，还能做可剥涂料、绝缘漆、耐候高当漆、热风胶粘剂、玻璃用涂料及人造纤维等产品。

3.1 作为皮革光亮剂

作为皮革光亮剂CAB 具有优良的耐光性能，用它为主要成膜物质的皮革光亮剂国外早已生产和销售，广泛用于白色革和浅色革的顶层涂饰，成膜光亮，坚韧，耐曲挠性好，赋予皮革极佳的高光泽，平滑、柔软的手感和良好的熨平性能，以及优良的耐光、耐热，不变黄等特性，顶涂后大大提高了皮革的精选率，提高皮革档次。

 3.2 作为木材涂料

通常情况下，醋酸丁酸纤维素可和多种树脂及增塑剂相容，在大多数有机溶剂中有优良的溶解性及对稀释剂如对二甲苯、甲苯有良好的耐性。醋酸丁酸纤维素加速溶剂从涂料中的挥发，缩短了涂膜指触干燥时间, 从而减少了环境中粉尘的污染。另外，这类纤维素有机醋化物提高了涂膜档次并减少了涂膜表面的缺陷。

醋酸丁酸纤维素涂料有良好的粘合性、柔韧性、强度、对潮湿及油脂的抗性、抗紫外光性及耐磨性, 并且提供了对不易分散的颜料如碳黑、酞著蓝、酞著绿等的良好分散介质,在木材涂料中的应用很广范。

3.3 在汽车漆、摩托车漆的应用

添加CAB 的汽车漆具有良好的装饰性、耐候性和防腐性。在涂装时，与过去的同类产品相比，能够获得均匀漆膜，提高涂装效率，节省涂装费用。同时，因其溶剂含量很低，可减少环境污染。它可以广泛应用于汽车、摩托车以及其它具有高防腐性能要求工业产品的表面保护。

3.4 其他用途

醋酸丁酸纤维素具有优异的耐用性、无毒性等优点，基于此的应用领域也在不断扩大。醋酸丁酸纤维素由于能降低干燥时间，控制粘度，可作为金属颜料的载体来增强紫外稳定性等，在包覆工业找到了立足之地。此外纤维素酯类薄膜还可作为吸收蛋白质和细胞增长的有效载体。将CAB 应用在心电图纸上可加快泛白时间，在原子笔、修正液及热固性粉末涂料中的应用可以改善产品的流动性和喷涂性能，消除粉末涂料的成饼和结块现象，从而提高它的储存和使用稳定性。

通过研究CAB 的静电可纺性。运用静电纺丝法制备了CAB 纳米纤维，研究了纺丝的工艺条件，特别是溶剂对成纤性和纤维形态的影响。

通过将聚丁二炔固定在醋酸丁酸纤维素涂层物质上，研究了自组装超分子传感器数组。合成醋酸丁酸纤维素和二乙烯基聚二甲硅氧烷互传网络聚合物。另外，人们也将CAB 做成电容性的湿度敏感器、水溶性药物载体制备微胶囊、醋酸丁酸纤维素中空纤维薄膜等产品，将醋酸丁酸纤维素中空纤维薄膜用于研究腐殖酸对薄膜污垢表面形态的影响，将醋酸丁酸纤维素用于共混改性等方面。

4 结语

醋酸丁酸纤维素以其优异的性质广泛用于汽车漆、家俱漆、制笔、油墨及心电图纸等方面。随着研究的深入，其应用领域也会不断扩大。醋酸丁酸纤维素主要是由美国伊士曼公司生产，我国江苏无锡化工研究设计院也有少量生产，具体的合成方法未见报道。目前，少量文献表明醋酸丁酸纤维素的合成逐渐由以硫酸为催化剂非均相制备向绿色环保的均相制备方法转变。但是，工艺还不完善，有待科研人员的进一步开发醋酸丁酸纤维素产品。另外，合成醋酸丁酸纤维素的原料为可再生的棉短绒、木浆粕、蔗渣纤维素等生物质资源，醋酸丁酸纤维素的发展不仅会带动塑料涂料工业的发展，也将为生物质资源的高值化利用奠定一定的理论基础，必将对社会的进步和科技的发展具有重要的指导意义。

本文来源于： 梁淑东，中油广西田东石油化工总厂有限公司