Уже первые случаи самовоспламенения целлулоида заставили химиков искать способ, как сделать целлулоид безопасным.
Были предложены сотни способов изготовления безопасного целлулоида, но все они оказывались мало пригодными, так как целлулоид терял при этом свое главное достоинство — пластичность.
Ученым надо было разобраться, благодаря чему целлулоид обладает пластичностью. Только после этого можно было изменить одно его свойство— горючесть, не нарушая другого — пластичности.
Когда Хайатт и все его последователи смешивали нитроклетчатку с различными веществами, они очень смутно представляли себе, какие химические процессы протекают в растворах. Ученые шли тогда к усовершенствованию целлулоида как бы ощупью. Лишь позднее химик» раскрыли сущность этих реакций.
Казалось странным: в чистом спирте нитроцеллюлоза не растворяется, а когда добавляют к спирту камфору, то она начинает растворяться. Выходит, что «растворителем» является именно камфора—твердое вещество, а спирт — жидкость — только помощник ее.
Когда камфора растворяется в спирте, то ее молекулы приобретают большую подвижность. Они как бы «атакуют» желтоватые хлопья нитроцеллюлозы, внедряются между ее молекулами и расталкивают их. На каждую большую нитевидную молекулу целлюлозы приходится до 1000 маленьких подвижных молекул камфоры. А каждая молекула камфоры движется под «охраной» трех-четырех молекул спирта. Силы сцепления между молекулами нитроцеллюлозы под влиянием толчков молекул камфоры ослабевают. Нитроцеллюлоза растворяется. Молекулы спирта, «отконвоировав» своих «подопечных», удаляются, т. е. спирт испаряется. Остается смесь двух твердых веществ. Но это не простая механическая смесь. Это скорее сплав, только не металлов, а органических веществ. Сплавы называются в химии твердыми растворами. Растворителем в целлулоиде является камфора. Ее маленькие молекулы заполняют промежутки между нитевидными молекулами целлюлозы.
При обычной температуре молекулы этого твердого раствора почт» неподвижны. При нагревании наибольшую подвижность приобретают молекулы камфоры. Они малы и легки, но зато их тысячи. Они расталкивают длинные тяжелые молекулы нитроцеллюлозы. Камфора служит как бы смазочным материалом для больших молекул целлулоида — они тоже начинают двигаться, и целлулоид размягчается, становится пластичным.
Нечто подобное происходит и в твердых растворах сплавов металлов. Тяжелый металл — свинец сплавляют с одним или несколькими легким» металлами — оловом, висмутом, кадмием, индием.
Получившиеся сплавы отличаются замечательной легкоплавкостью. Например, сплав, в составе которого находится индий, тает при температуре 47 градусов!
Такова причина пластичности целлулоида. Оставалось выяснить причину его горючести.
При длительном нагревании или под воздействием высокой температуры целлулоид воспламеняется и быстро сгорает, образуя клубы удушливого дыма. Из одного килограмма целлулоида при полном сгорании получается 170—180 литров разных газов. Удивительного тут ничего нет — и нитроцеллюлоза и камфора горючие вещества.
Но главным виновником горючести целлулоида является именно нитроцеллюлоза. Когда целлюлозу обрабатывают азотной кислотой, к каждой ее молекуле присоединяются две группы атомов азота, соединенных с атомами кислорода. В каждом звене молекулярной цепочки нитроцеллюлозы оказывается шесть атомов углерода, восемь атомов водорода, два атома азота и девять атомов кислорода. Причем кислород непосредственно связан именно с атомами азота. Соединения же азота с кислородом непрочны и легко разлагаются.
При нагревании молекулы нитроцеллюлозы распадаются и атомы азота отщепляют часть своего кислорода. Освобожденный кислород вступает в химическое соединение с углеродом и водородом. При этом выделяется большое количество теплоты. В реакции принимает участие также и кислород воздуха. Целлулоид вспыхивает, возникает пожар.
Химики установили, что причина легкой воспламеняемости целлулоида кроется в родстве нитроцеллюлозы с пироксилином—сильным взрывчатым веществом. Разница между ними невелика: в пироксилине к каждой молекуле целлюлозы присоединены три азотистые группы, а в целлулоиде — две такие группы.
В первые годы применения целлулоида химики еще плохо умели управлять химическими реакциями. Сплошь и рядом, обрабатывая целлюлозу азотной кислотой, они получали вместо нитроцеллюлозы нужного им состава пироксилин или смесь этих двух веществ. Пироксилин, оказавшись в целлулоиде, делал его особенно опасным. Понятно, что биллиардные шары взрывались, как ручные гранаты.
Производство нитроцеллюлозы упорядочили, пироксилиновую «опасность» устранили. Но целлулоид все равно оставался огнеопасным.
У химиков было три пути. Во-первых, добавить к целлулоидной массе негорючие вещества вроде мела, гипса, каолина, окислов металлов. Молекулы этих добавок служили бы «заборчиками», разгораживающими молекулы нитроцеллюлозы так, чтобы «пожар» одной или нескольких молекул не мог распространиться на все вещество.
Это было сделано. Различные негорючие добавки уменьшили его воспламеняемость, но не смогли устранить ее полностью. Целлулоид стал лишь менее горючим.
Тогда ученые стали искать, нельзя ли чем-нибудь заменить камфору. Ведь она тоже горючее вещество.
Подходящие заменители камфоры были найдены, и с их помощью химики изготовили новые пластические массы — этролы. Начальные буквы этого названия показывают назначение этих новых «родственников» целлулоида: электро, телефон, радио. В настоящее время из этролов изготовляют сотни различных деталей телефонных аппаратов, радиоприборов и электроарматуры.
Все эти усовершенствования, делая целлулоид менее горючим, лишали его в то же время другого ценного свойства — прозрачности. Из непрозрачного же целлулоида нельзя делать кинопленку. В то же время пожары кинотеатров и кинофабрик уносили сотни жизней и служили причиной больших несчастий и убытков.
Это заставляло искать третий путь — изменить химический состав, целлулоида, т. е. изобрести вещество подобное целлулоиду, столь же пластичное и прозрачное, но не горючее. И на этом пути химики одержали победу — они стали обрабатывать целлюлозу не азотной кислотой, а уксусной. Это избавило целлулоид от нестойких и легкоразлагающихся азотистых групп. Количество кислорода в новом целлулоиде уменьшилось, его атомы были более прочно связаны.
Новый пластичный материал, изготовленный из ацетилцеллюлозы, уже не мог именоваться целлулоидом. Ему дали на редкость бессмысленное название — ацетолоид, т. е. «подобный уксусу», хотя новый пластик правильнее было бы назвать целлоном.
Целлон дороже целлулоида. Поэтому для дешевых изделий употребляют по-прежнему целлулоид, а целлон предназначается главным образом для производства кинопленки.