nitrocellulose

Nitrocellulose med mellom 12,2 og 13,4 prosent nitrogen er basismaterialet for nesten alle typer røyksvake krutt brukt som drivmiddel for ammunisjon til håndskytevåpen og artilleri. Gjennom denne bruken er nitrocellulose en av de aller viktigste energetiske råmaterialer (eksplosivstoffer) nødvendig i en krigssituasjon. Tilgang på store mengder nitrocellulose er helt avgjørende for all moderne krigføring.

Innen ammunisjonskrutt skiller man gjerne mellom krutt der nitrocellulose alene utgjør det aktive (energetiske) innholdsstoffet, såkalt nitrocellulosekrutt (single-base powder), og krutt der nitrocellulose inngår i denne rollen i kombinasjon med nitroglyserin (double-base powder). Blant sistnevnte skiller man historisk gjerne mellom ballistitt og korditt.

Det er noe forskjell i nitrogeninnholdet i nitrocellulosen som inngår i de ulike typene ammunisjonskrutt. Nitrocellulosekrutt inneholder vanligvis materiale med høyt nitrogeninnhold, rundt 13,2 prosent, altså skytebomull. Ballistitt inneholder på sin side gjerne bedre løselig nitrocellulose, materiale som ligner mer på kollodiumull og som vanligvis inneholder rundt 12,2 prosent nitrogen.

Også for drivmidler brukt i rakettvåpen og missiler med fast drivstoff (se faststoffmotor), kan nitrocellulose være en sentral komponent. Dette kan være spesielt viktig for de systemene hvor røykfri signatur (eksos med lite røyk) er viktig, slik som for laserstyrte missiler. For denne type krutt brukes gjerne nitrocellulose i kombinasjon med nitroglyserin til å gi et plastisk krutt (ballistittkrutt) som kan presses til ønsket form.

I tillegg til ballistittkrutt kan nitrocellulose også inngå i faste rakettdrivstoffer som inneholder krystallinske faststoffer som ammoniumperklorat, RDX (heksogen) eller HMX (oktogen). Slike krutt er kjent som komposittkrutt. Her er partiklene av de krystallinske faststoffene fordelt i et elastisk bindemiddelsystem der nitrocellulosen inngår sammen med syntetiske polymerer som polyestere eller polyetere.

Kollodiumull brukes som bindemiddel for nitroglyserin eller nitroglykol i såkalt sprenggelatin. Slikt sprenggelatin er basismaterialet for fremstilling av de fleste typer dynamitt for sivile sprengningsarbeider. Kollodiumull er mer egnet for denne bruken enn nitrocellulose med høyere nitrogeninnhold på grunn av at det er mer løselig i nitroglyserin.

I kombinasjon med kamfer (som fungerer som mykningsmiddel), brukes nitrocellulose med 10,5–11,5 prosent nitrogen til fremstilling av celluloid. Dette var en av de første (delvis syntetiske) plastmaterialene som ble utviklet. Spesielt kjent er bruken av celluloid i biljardkuler, men det ble også brukt til mye annet. Celluloid ble med tiden erstattet av mer stabile og mindre brannfarlige materialer.

Nitrocellulose med 10,5 til 12,2 prosent nitrogen brukes i celluloselakker. Av disse typene nitrocellulose («lakk-NC») finnes det tre undertyper: esterløselig lakk-NC (11,8 til 12,2 prosent nitrogen), delvis alkoholløselig lakk-NC (11,2 til 11,7 prosent nitrogen) og alkoholløselig lakk-NC (10,5 til 11,1 prosent nitrogen). Celluloselakker har blant annet blitt brukt i møbellakk, instrumentlakk, billakk og neglelakk.

Nitrocellulose med moderat nitrogeninnhold var også en gang i tiden utgangsstoffet for fremstilling av chardonnetsilke (kollodiumsilke). Dette var den aller første type rayon, altså kunstfiber fremstilt av cellulose, og ble utviklet i 1880-årene. Sammen med tilsetninger av planteoljer og pigmenter har kollodiumull blitt brukt til fremstilling av kunstlær, blant annet til trekk for bilseter. Kollodiumull har også vært brukt i fotografisk film.

En oppløsning av kollodiumull i en blanding av alkohol og eter kalles kollodium og benyttes medisinsk til beskyttelse av sår. Den viskøse oppløsningen kan pensles på sår, og etter fordampning av løsemidlene etterlates en tynn, elastisk hinne av nitrocellulose. Kollodium brukes også som bærer for salisylsyre til bruk på huden for å fjerne vorter (vortemiddel).

Henri Braconnot (1780–1855) var en fransk kjemiker og farmasøyt som ledet en botanisk hage i Nancy. I 1832–1833 oppdaget han at stivelse fra poteter dannet et brannfarlig materiale når det ble løst opp i konsentrert salpetersyre og deretter felt ut igjen gjennom tilsetning av vann. Braconnot kalte stoffet han hadde laget for xyloïdine, fordi han syntes det minnet om lignin, et stoff i trevirke (xylon er det greske ordet for tre).

Braconnot hadde laget nitrostivelse, estere av stivelse og salpetersyre. Han studerte også salpetersyrens virkning på plantestoffer som sagflis, bomull og lin. Siden dette er materialer som inneholder cellulose, oppstod nitrocellulose. Braconnot greide imidlertid ikke å skille disse materialene fra hverandre, eller fra nitrostivelse, og han kalte dem alle for xyloïdine.

I 1838 studerte den franske kjemikeren Théophile-Jules Pelouze (1807–1867) virkningen av salpetersyre på papir, lin og bomull, i tillegg til stivelse. De brannfarlige produktene som oppstod, antok Pelouze var det samme som det xyloïdine Braconnot hadde beskrevet. Senere, i 1846, forstod Pelouze at materialet fremstilt fra papir og bomull (nitrocellulose) var forskjellig fra det fra stivelse (nitrostivelse), og han kalte det første da for pyroxyle.

I mai 1846 annonserte den tyske kjemikeren Christian Friedrich Schönbein (1799–1868), som var professor i Basel i Sveits, oppdagelsen av det han kalte for skytebomull (Schießbaumwolle). Eksperimentene hans hadde vært utført i løpet av desember 1845 og de første månedene av 1846. I mai, juni og juli 1846 eksperimenterte han med bruk av skytebomull i håndskytevåpen og kanoner.

Schönbein publiserte ikke hvordan han hadde fremstilt sitt skytebomull. Uavhengig av ham hadde den tyske kjemiprofessoren Rudolf Böttger (1806–1881) i Frankfurt am Main lyktes i å fremstille skytebomull i juli eller august 1846. Begge av dem hadde i realiteten brukt samme metode: behandling av bomull med en blanding av salpetersyre og svovelsyre. Det er kombinasjonen av disse to syrene som gir nitrocellulose med særlig høyt nitrogeninnhold.

Schönbein og Böttger samarbeidet om bruken av skytebomull, men de lyktes ikke i å holde fremstillingen hemmelig. En tredje kjemiker, Friedrich Julius Otto (1809–1870), som var professor i Braunschweig i Tyskland, hadde nemlig også lyktes i å fremstille skytebomull i 1846. Otto var den første til å publisere sin fremstillingsmetode åpent, i en avisartikkel tidlig i oktober 1846. Han brukte imidlertid kun salpetersyre i sin prosess, noe som var ufordelaktig.

I oktober 1846 hadde Schönbein tatt ut et patent i England for skytebomull. Her beskrev han også fremstillingen av materialet ved hjelp av en blanding av salpetersyre og svovelsyre. Gjennom dette var fremstillingsmetoden for skytebomull nå blitt mer allment kjent. Skytebomull var flere ganger sterkere enn krutt, og interessen for materialet var stor.

En rekke uhell førte imidlertid til at interessen snart skulle avta kraftig. Schönbein organiserte raskt etableringen av en fabrikk for skytebomull ved Faversham, England, i samarbeid med firmaet Messrs. John Hall & Son. Etter mindre enn et år i drift ble fabrikken ødelagt av en voldsom eksplosjon 14. juli 1847, en ulykke som tok livet av 21 mennesker.

Lignede ulykker som den i Faversham rammet også snart Frankrike, først i en fabrikk i Le Bouchet 17. juli 1848 og deretter i et lagerlokale i Vincennes 2. august samme år. Alle disse ulykkene hadde sin årsak i selvantennelse av dårlig stabilisert og syreholdig skytebomull under lagring. Både i England og Frankrike ble all produksjon av skytebomull nå stanset.

I Østerrike ble eksperimenteringen med skytebomull videreført av offiseren Wilhelm Lenk von Wolfsberg (1809–1894). Han lyktes delvis i å stabilisere skytebomull gjennom grundig vask, og produksjon av materialet ble etablert fra 1853 ved byen Hirtenberg. En kraftig eksplosjon rammet imidlertid anlegget 30. juli 1862. Myndighetene la ned forbud mot slik produksjon etter en ny ulykke i 1865, og de fulgte med dette etter de fleste europeiske land.

Samtidig med at Alfred Nobel revolusjonerte bruken av nitroglyserin i dynamitt midt på 1860-tallet, lyktes det den engelske kjemikeren Frederick Augustus Abel (1827–1902) å fremstille stabilisert nitrocellulose gjennom langvarig koking av materialet, etterfulgt av nedmaling av nitrocellulosen (for å bryte ned den fibrøse strukturen og frigjøre urenheter).

Ved å bruke samme type sprenghette på skytebomull som Nobel hadde utviklet for dynamitten, fant Abel i 1868 at skytebomull kunne detoneres på samme måte. I 1873 fant han deretter at skytebomull med 25 prosent vann, som er relativt trygt under lagring og bruk, også kunne detoneres ved å bruke en forsterkerladning av tørr skytebomull (i tillegg til sprenghetten). Med dette ble fuktig skytebomull det første militære høyeksplosiv.

Fuktet skytebomull ble fra rundt midten av 1880-tallet for det meste erstattet av pikrinsyre som militært sprengstoff, senere også av TNT. I løpet av samme tiår ble imidlertid nitrocellulose introdusert som grunnsubstansen i tre nye typer med røyksvakt krutt: nitrocellulosekrutt, ballistitt og korditt.

I 1846 hadde franskmannen Louis-Nicolas Ménard (1822–1901) og en kollega funnet at nitrocellulose med moderat nitrogeninnhold kunne løses i en blanding av alkohol og eter, men ikke når en av disse brukes alene. Oppløsningen dannet en klar, sirupsaktig væske.

Den amerikanske legen John Parker Maynard (1817–1898) tok året etter i bruk denne oppløsningen som et flytende plaster. Eter-alkoholen fordampet raskt etter påføring på huden og etterlot seg en transparent, fleksibel film av nitrocellulose.

Den amerikanske legen Augustus Addison Gould (1805–1866) gav oppløsningen av nitrocellulose i eter-alkohol navnet kollodium, fra det greske ordet for «limete». Den løselige typen av nitrocellulose, med moderat nitrogeninnhold (8,0 til 12,1 prosent) ble derfor snart kjent som kollodiumull.