Acetato de celulose, butirato e ésteres de celulose: análise do fornecedor, estrutura, desempenho e aplicação

Acetato de celulose, butirato e ésteres de celulose: análise abrangente da estrutura, desempenho e aplicação

O acetato butirato de celulose (CAB, às vezes chamado de resina CAB) é um importante éster de celulose. O polímero semissintético apresenta características únicas e diversas aplicações. A partir daqui, você pode ver que o éster de celulose é uma categoria ampla, que inclui a série de produtos de acetato butirato de celulose.

Para melhor compreender a diferença entre os dois, este artigo apresentará sistematicamente a relação entre o CAB e outros ésteres de celulose. Inclui seus fornecedores, estrutura química, método de síntese, características de desempenho e aplicações em diferentes campos industriais. A análise comparativa ajuda os usuários a compreender melhor as propriedades científicas, as vantagens técnicas e as aplicações práticas desses materiais em revestimentos, tintas, plásticos e filmes. O artigo também aborda as pesquisas mais recentes e tendências futuras, servindo como referência para pesquisadores e engenheiros.

Visão geral dos ésteres de celulose

Ésteres de celulose são um tipo de composto polimérico derivado da celulose natural por meio de reação de esterificação, e sua história remonta a meados do século XIX. Em 1865, o químico francês Paul Schützenberger produziu pela primeira vez acetato de celulose reagindo anidrido acético com celulose, o que foi pioneiro na modificação química da celulose. Com o desenvolvimento da indústria química, no início do século XX, diversos ésteres de celulose foram desenvolvidos e industrializados, incluindo acetato de celulose (AC), acetato propionato de celulose (CAP) e acetato butirato de celulose (CAB). Esses materiais substituíram gradualmente alguns materiais poliméricos sintéticos à base de petróleo em muitos campos devido ao seu excelente desempenho e propriedades renováveis (este é um ponto importante do conhecimento).

Então, como diferenciar a classificação desses ésteres de celulose? Atualmente, a iSuoChem divide a celulose principalmente em 3 categorias diferentes, com base no tipo de grupo substituinte:

Acetato de celulose (CA):contém apenas acetil (-COCH₃) como substituinte

Acetato propionato de celulose (CAP):contém acetil e propionil (-COC₂H₅)

Acetato de butirato de celulose (CAB):contém acetil e butiril (-COC₃H₇)

A característica estrutural típica do CAB é a presença simultânea de acetila, butirila e uma pequena quantidade de grupos hidroxila não reagidos na cadeia molecular. O conteúdo relativo desses três grupos funcionais determina o desempenho final do material1.

As características comuns dos ésteres de celulose incluem:

Boa formação de filme e processabilidade

Alta transparência e brilho

Excelente resistência às intempéries e resistência química

Biodegradabilidade e renovabilidade

Boa compatibilidade com uma variedade de plastificantes e resinas

No entanto, diferentes tipos de ésteres de celulose apresentam propriedades únicas. Tomando o CAB como exemplo, em comparação com o acetato de celulose comum, ele apresenta menor densidade, melhor hidrofobicidade e maior faixa de solubilidade devido à introdução de um volume maior de grupos butiril¹. Essas diferenças nas características fazem com que diferentes ésteres de celulose tenham seus próprios pontos fortes na aplicação, formando uma relação complementar em vez de competitiva.

Fornecedores de acetato de butirato de celulose

Entre eles, o acetato butirato de celulose (CAB) também é o principal produto promovido pela iSuoChem atualmente. Ele é o preferido do mercado para substituir a série CAB da EASTMAN!

Estrutura química e síntese do acetato butirato de celulose (CAB)

O acetato butirato de celulose (CAB) é um importante material de engenharia obtido pela modificação química da celulose natural, e sua estrutura molecular é complexa e delicada. A partir de sua essência química, o CAB é um éster misto formado pela substituição parcial dos grupos hidroxila do anel de glicose da celulose por acetila (CH₃CO-) e butirila (C₃H₇CO-). Essa estrutura única confere ao CAB propriedades especiais que o diferenciam de outros ésteres de celulose, tornando-o uma opção insubstituível em diversos campos de aplicação.

Em termos de mecanismo de síntese, a produção industrial de CAB geralmente adota um processo de esterificação homogêneo ou heterogêneo. Em um processo de produção típico, matérias-primas de celulose de alta pureza (geralmente derivadas de línteres de algodão ou polpa de madeira) são primeiramente ativadas para aumentar sua reatividade e, em seguida, esterificadas com uma mistura de anidrido acético e anidrido butírico na presença de catalisadores como o ácido sulfúrico. Durante a reação, os grupos hidroxila na unidade de glicose da celulose sofrem substituição nucleofílica com o anidrido para formar a ligação éster correspondente. Ao controlar precisamente as condições de reação (como temperatura, tempo, dosagem do catalisador e proporção do anidrido), o conteúdo e a distribuição dos diferentes grupos éster no produto final podem ser regulados.

Os parâmetros estruturais do CAB são geralmente descritos por três indicadores principais:

Grau de substituição total (DS):indica o número médio de grupos hidroxila substituídos em cada unidade de glicose, com um valor máximo teórico de 3

Teor de acetila:afeta o ponto de fusão, a resistência mecânica e a resistência ao calor do material

Teor de butirila:determina a solubilidade, flexibilidade e hidrofobicidade do material

Os produtos CAB comerciais podem ser divididos em vários graus de acordo com o teor de butirila, que geralmente fica entre 17% e 55%.Com o aumento do teor de butirila, o material apresenta menor densidade, melhor tenacidade em baixas temperaturas e maior compatibilidade com solventes, mas a resistência à tração e a temperatura de deformação por calor diminuirão consequentemente.

O tratamento pós-síntese do CAB também é crucial. Após a conclusão da reação, o excesso de anidrido precisa ser removido por meio de uma etapa de hidrólise e o produto é neutralizado até um estado estável. Após a lavagem, purificação e secagem, obtém-se um produto CAB que atende aos requisitos. Vale ressaltar que uma pequena quantidade de grupos hidroxila não substituídos geralmente é retida na cadeia molecular do CAB. Esses grupos polares não apenas afetam o desempenho do material em si, mas também fornecem sítios ativos para modificações químicas subsequentes (como reticulação, enxerto, etc.).

O acetato de celulose (CA) é um produto mais comum no mercado. Em comparação com o acetato de celulose (CA) comum, as vantagens estruturais do CAB se refletem principalmente em:

Efeito de impedimento estérico do grupo butiril:o maior grupo butiril aumenta o espaçamento da cadeia molecular e reduz a cristalinidade, melhorando assim a solubilidade e a processabilidade do material

Hidrofobicidade aprimorada:a longa estrutura de cadeia de carbono do grupo butiril confere ao material melhor resistência à umidade e à água

Plastificação interna:a presença do grupo butiril reduz a dependência de plastificantes externos e torna o próprio material mais flexível

O grau de substituição e a distribuição de substituintes do CAB podem ser determinados com precisão por métodos de caracterização como ressonância magnética nuclear (RMN), espectroscopia no infravermelho (FTIR) e análise elementar5. Essas informações estruturais são de grande importância para a compreensão das propriedades dos materiais, para orientar a otimização de processos e para o desenvolvimento de novas aplicações.

Nos últimos anos, o processo de síntese verde de CAB também apresentou progressos significativos. Uma grande quantidade de solventes orgânicos e catalisadores ácidos fortes utilizados em métodos tradicionais está sendo gradualmente substituída por meios ecologicamente corretos, como líquidos iônicos e fluidos supercríticos. Esses novos processos não apenas reduzem a poluição ambiental, mas também melhoram a eficiência da reação e a qualidade do produto, abrindo novos caminhos para o desenvolvimento sustentável de CAB.

Comparação de características de desempenho

Como um tipo especial de éster de celulose, o CAB possui as seguintes propriedades excepcionais

Embora diferentes tipos de ésteres de celulose tenham bases químicas semelhantes, eles apresentam propriedades físicas e químicas significativamente diferentes devido às diferenças nos grupos de substituição. Uma compreensão profunda dessas diferenças de desempenho é crucial para a seleção de materiais e aplicações de engenharia. Esta seção comparará sistematicamente as características de desempenho do acetato butirato de celulose (CAB) com outros principais ésteres de celulose, considerando múltiplas dimensões, como propriedades térmicas, propriedades mecânicas e solubilidade.

Estabilidade térmica: pode ser usado por um longo período a 135°C

A estabilidade térmica do CAB é menor que a do CA, mas ainda mantém um alto nível e pode ser usado por um longo período a 135 °C sem destruir sua estrutura19. Essa estabilidade térmica torna o CAB adequado para processos que exigem tratamento em alta temperatura, como moldagem por injeção e prensagem a quente. Vale ressaltar que a temperatura de transição vítrea (Tg) do CAB é geralmente menor que a do CA, o que está relacionado ao efeito de plastificação interna proporcionado por seu grupo butirila maior.

Propriedades mecânicas: bom equilíbrio entre resistência e flexibilidade

A comparação das propriedades mecânicas mostra que o CA apresenta maior rigidez e resistência à tração, mas maior fragilidade; enquanto o CAB apresenta excelente flexibilidade e resistência ao impacto. De acordo com dados de pesquisa, a resistência à tração do CAB aumenta com o aumento do teor de acetila, enquanto a flexibilidade aumenta com a diminuição do teor de acetila dentro de uma determinada faixa¹.

Solubilidade: compatibilidade com solventes mais ampla que o CA (solúvel em álcoois, ésteres, etc.)

A solubilidade é um parâmetro fundamental na aplicação de ésteres de celulose. O CA é solúvel apenas em um número limitado de solventes polares (como acetona e dimetilformamida), enquanto o CAB apresenta uma faixa de solubilidade significativamente mais ampla devido à introdução de grupos butirila. À medida que o teor de butirila aumenta, o CAB torna-se solúvel em uma gama mais ampla de solventes orgânicos, incluindo álcoois, ésteres e certos solventes de hidrocarbonetos¹. Essa excelente solubilidade confere ao CAB uma clara vantagem em formulações de revestimentos e tintas. A Tabela 1 compara o comportamento de dissolução de três principais ésteres de celulose em solventes comuns:

Tabela 1: Comparação da solubilidade de diferentes tipos de ésteres de celulose

Em termos de propriedades ópticasOs ésteres de celulose geralmente apresentam alta transparência e baixa birrefringência, tornando-os adequados para aplicações ópticas. O CAB se destaca particularmente nesse aspecto, com uma transmitância de mais de 90% e baixíssima turbidez¹. Além disso, a resistência aos raios UV do CAB é superior à da maioria dos polímeros sintéticos e não amarela facilmente após uso prolongado em ambientes externos. Essa característica o torna a escolha ideal para revestimentos e materiais de embalagem de alta qualidade para ambientes externos.

Resistência às intempéries e resistência químicatambém são importantes indicadores de desempenho de ésteres de celulose. O CAB apresenta excelente resistência à umidade, com uma taxa de absorção de água significativamente menor que o CA, e melhor estabilidade dimensional em ambientes úmidos¹. Ao mesmo tempo, o CAB apresenta boa resistência a óleos, ácidos fracos e bases fracas, mas hidrolisa sob condições de ácidos ou bases fortes. Vale ressaltar que a resistência do CAB às intempéries o torna particularmente adequado para aplicações externas, como revestimentos automotivos, acabamentos externos de edifícios, etc., e pode manter aparência e desempenho estáveis por um longo tempo.

Em termos de propriedades de superfície,O CAB apresenta baixa energia superficial, o que o torna excelente antiaderente e fácil de limpar. Ao mesmo tempo, a superfície do filme CAB é lisa e uniforme, permitindo a formação de um revestimento de alto brilho. Essas características, aliadas à sua boa printabilidade, tornam o CAB popular nos setores de embalagens e decoração.

Vale ressaltar que o desempenho dos ésteres de celulose depende não apenas do tipo de substituinte, mas também de parâmetros microestruturais, como a distribuição do peso molecular e a uniformidade dos substituintes. Ao controlar com precisão esses parâmetros, os fabricantes podem fornecer produtos personalizados que atendem a requisitos específicos de aplicação. Com o avanço da tecnologia analítica e do controle de processos, a capacidade de ajuste do desempenho dos ésteres de celulose será ainda mais aprimorada, criando mais oportunidades para sua aplicação em áreas de alto valor agregado.

Tecnologia de modificação do acetato butirato de celulose (CAB)

Embora o acetato butirato de celulose (CAB) em si tenha muitas propriedades excelentes, pesquisadores desenvolveram uma variedade de tecnologias de modificação do CAB para atender a requisitos específicos de aplicação ou aprimorar ainda mais seu desempenho. Esses métodos de modificação não apenas expandem o escopo de aplicação do CAB, mas também fornecem novas ideias para o desenvolvimento de materiais à base de celulose de alto desempenho. Esta seção apresentará em detalhes as principais estratégias de modificação do CAB e seus efeitos nas propriedades dos materiais.

Modificação de cura UVrepresenta um avanço importante na funcionalização do CAB nos últimos anos. Estudos demonstraram que, ao reagir isocianatos (como IPDI) e hidroxietila metacrilato (HEMA) com CAB, ligações duplas fotossensíveis podem ser introduzidas para obter CAB2 curável por UV. Este método de modificação faz uso total da reatividade dos grupos hidroxila residuais na cadeia molecular do CAB e confere ao material propriedades de fotocura sem alterar significativamente as propriedades da matriz. Comparado ao CAB não modificado, o CAB curável por UV modificado melhorou significativamente a dureza do filme (até 4H) e melhorou significativamente a resistência à abrasão, a resistência à água e a resistência a solventes2. Ao mesmo tempo, este material mantém boa adesão (grau 1) e alto brilho (138), tornando-o muito adequado como um revestimento decorativo e protetor de alta qualidade. A introdução da tecnologia de cura UV também permite que os revestimentos CAB sejam curados em segundos, melhorando significativamente a eficiência da produção e reduzindo o consumo de energia.

Modificação de reticulaçãoé um meio eficaz para melhorar a resistência ao calor e a estabilidade dimensional do CAB. Os grupos hidroxila residuais na cadeia molecular do CAB podem ser usados para formar uma estrutura de rede tridimensional com agentes de reticulação, como poliisocianatos, compostos epóxi ou estruturas metalorgânicas. A reticulação moderada pode aumentar significativamente a temperatura de deformação térmica e reduzir a taxa de intumescimento do CAB, mantendo sua transparência e resistência mecânica². Por exemplo, a resistência a solventes do filme de CAB reticulado com diisocianato de hexametileno (HDI) é significativamente melhorada, e o tempo de dissolução em acetona é estendido de alguns minutos para algumas horas. Este CAB reticulado é particularmente adequado para aplicações que exigem resistência química, como revestimentos de equipamentos químicos, revestimentos anticorrosivos, etc.

Modificação nanocompósitaé um método emergente para introduzir nanomateriais na matriz CAB para obter funções especiais. Os nanomateriais comumente usados incluem nanoprata (AgNPs), dióxido de nanotitânio (TiO₂), nanotubos de carbono (CNTs) e grafeno. Estudos demonstraram que a adição de 1-5% de partículas de nanoprata pode conferir ao CAB propriedades antibacterianas duradouras, com pouco efeito na transparência e nas propriedades mecânicas do material. Da mesma forma, os filmes CAB dopados com nano-TiO₂ exibem excelentes propriedades de proteção UV e autolimpeza, tornando-os adequados para revestimentos de proteção externa. A chave para a modificação de nanocompósitos é alcançar dispersão uniforme e existência estável de nanopartículas na matriz, o que geralmente requer modificação da superfície das nanopartículas ou o uso de auxiliares de dispersão.

Em aplicações práticas, as tecnologias de modificação mencionadas são frequentemente utilizadas em combinação para obter efeitos sinérgicos. Por exemplo, um revestimento CAB multifuncional pode ser preparado construindo-se inicialmente uma rede reticulada por meio de cura UV e, em seguida, adicionando-se partículas de nanoprata para conferir propriedades antibacterianas. A combinação flexível de tecnologias de modificação oferece possibilidades quase ilimitadas para o projeto de desempenho do CAB.

Campos de aplicação de CAB e ésteres de celulose

O acetato butirato de celulose (CAB) e seus ésteres de celulose relacionados desempenham um papel insubstituível em muitos campos industriais devido à sua combinação única de propriedades. De bens de consumo diários a produtos de alta tecnologia, esses materiais renováveis podem ser encontrados em todos os lugares. Esta seção discutirá em detalhes os usos específicos e as vantagens técnicas do CAB e de outros ésteres de celulose em diversos campos de aplicação, e mostrará as amplas perspectivas de aplicação desses materiais.

A indústria de revestimentos e tintasé um dos campos de aplicação mais importantes do CAB. Neste campo, o CAB é usado principalmente como resina formadora de filme e modificador de desempenho, e suas vantagens se refletem em muitos aspectos15:

Excelentes propriedades de nivelamento e anti-flacidez:O CAB pode controlar eficazmente as propriedades reológicas do revestimento, garantindo um bom desempenho de construção e evitando a flacidez ao revestir superfícies verticais

Liberação rápida de solvente:As características de solubilidade do CAB permitem que ele forme rapidamente uma película de revestimento estável durante a evaporação do solvente, encurtando o tempo de secagem

Alta transparência e brilho:Os revestimentos à base de CAB podem formar um efeito de superfície altamente decorativo

Excelente resistência às intempéries:Os revestimentos CAB têm boa resistência aos raios UV e não ficam amarelos nem empoeirados após uso prolongado ao ar livre

Vale ressaltar que o CAB ocupa uma posição importante em revestimentos automotivos.Do primer ao acabamento e ao verniz, o CAB pode ser adicionado a cada camada de revestimento para melhorar o desempenho. Estudos demonstraram que revestimentos perolados com a adição de CAB podem produzir um efeito de cor angular exclusivo, realçando significativamente o luxo da aparência do carro. Os revestimentos CAB modificados, curados por UV, são amplamente utilizados em produtos eletrônicos de alta qualidade, instrumentos musicais e outros setores. Sua dureza pode chegar a 4H e apresentam excelente resistência ao desgaste e retenção de brilho.

Os materiais CAB também são amplamente utilizados nas áreas de plásticos e embalagens. Nesse campo, o CAB pode ser usado como resina de matriz principal ou como aditivo modificado para outros plásticos:

Cabos de ferramentas e armações de óculos:aproveite a boa sensação, a resistência ao impacto e o fácil processamento do CAB

Filme de embalagem:aproveite a alta transparência e a permeabilidade moderada ao ar do CAB, especialmente adequado para embalagens de preservação de frutas e vegetais frescos

Recipientes para cosméticos:O excelente brilho de superfície e a resistência química do CAB o tornam a escolha ideal para embalagens de cosméticos de alta qualidade

Chapas termoformadas:As folhas CAB podem ser moldadas a vácuo em produtos de vários formatos complexos

Em comparação com os plásticos à base de petróleo, as vantagens dos produtos CAB são sua renovabilidade e biodegradabilidade, em linha com a tendência de desenvolvimento sustentável da indústria de embalagens moderna. Ao mesmo tempo, a permeabilidade à umidade e ao ar do CAB pode ser controlada com precisão, ajustando a proporção acetil/butiril para atender às necessidades de embalagem de diferentes produtos.

Vale ressaltar que a tecnologia de modificação verde se tornou um foco de pesquisa nos últimos anos. A aplicação de dispersões de CAB à base de água, plastificantes de base biológica e o desenvolvimento de processos de modificação sem solventes tornaram os materiais de CAB mais ecologicamente corretos e sustentáveis. 6 Esses avanços estão alinhados com a estratégia global de desenvolvimento sustentável e promoverão ainda mais a aplicação de CAB na área de materiais ecologicamente corretos de alta qualidade.

Em suma, como um membro importante da família dos ésteres de celulose, o CAB tem demonstrado amplas perspectivas de aplicação em campos tradicionais e emergentes devido à sua estrutura e desempenho ajustáveis. Por meio do design molecular e da inovação de processos, esse tipo de material renovável continuará a fornecer soluções importantes para o desenvolvimento sustentável.