DE102008063442A1

DE102008063442A1 - Verfahren zur Herstellung von Polymerwerkstoffen

Info

Publication number: DE102008063442A1
Application number: DE200810063442
Authority: DE
Inventors: Peter Klenert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-01
Also published as: DE102008063442B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerwerkstoffen auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe, deren Anwendungen keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit aufweisen. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Polymerwerkstoffen, deren Einsatz ohne Schädigungen der Umwelt und/oder der menschlichen Gesundheit ermöglicht wird und gleichzeitig die Herstellung von Werkstoffen gewährleistet, die mindestens die erreichbaren technischen Parameter konventioneller Verfahren aufweisen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die Herstellung der Polymerwerkstoffe durch Vermischung von auf nichtpetrochemischer Basis bestehenden Stoffkomponenten vorgenommen wird und dabei einem als Grundstoff eingesetzten epoxidierten Triglyceriden Masseanteile von als Härter oder Vernetzer dienenden Polycarbonsäure und Masseanteile von als Katalysator dienenden Ascorbinsäure zugegeben und vermischt werden. Effizient kann das geschaffene Verfahren durchgeführt werden, wenn die Masseteile des zur Anwendung kommenden epoxidierten Triglycerides im Bereich von 55-75%, die Masseanteile der Polycarbonsäure im Bereich von 20-40% und die Masseanteile der Ascorbinsäure im Bereich von 0,01-5% liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerwerkstoffen auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe, deren Anwendungen keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit aufweisen. Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen unter Anwendung von synthetischen Epoxiden in Verbindung mit synthetischen Hartem und Katalysatoren. Die dabei zur Anwendung kommenden Kunststoffe werden fast ausschließlich auf petrochemischer Basis gewonnen. Der unter anderen verwendete Werkstoff aus Polyvinylchlorid (PVC) für beispielsweise Abdeckplatten, Endstücke, Kabelkanäle und Fenster ist für das Recycling problematisch und entwickelt im Brandfall gefährliche Gase.
Weiterhin bekannt sind auch Verfahren unter Anwendung von nativen Grundstoffen wie z. B. epoxidierte Triglyceride (Sojaölepoxid, Leinölepoxid u. a.) in Kombination mit synthetischen Härtern und Katalysatoren zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen. Mittels dieser Verfahren sollen insbesondere petrochemisch basierte Stoffsysteme substituiert werden. So wird nach der DE 196 27 165 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerwerkstoffes beschrieben, der aus drei Komponenten gebildet wird, nämlich aus 10–90 Masse-% eines Triglycerides, 5–90 Masse-% eines Polycarbonsäureanhydrids mit 0,01–20 Masse-% einer Polycarbonsäure. Die als Vernetzer fungierenden Polycarbonsäureanhydride werden dabei in Verbindung mit einer Vielzahl synthetisch erzeugter Stoffe als Katalysatoren (z. B. tertiäre Amine und deren Derivate, Phenole, Organometallerbindungen, Aluminiumtrichlorid, aminische Komplexerbindungen) angewendet.
Alle vorstehend angeführten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass mindestens eine Stoffkomponente auf petrochemischer Basis hergestellt und durch ihre Anwendungen negative Auswirkungen auf die Umwelt und/oder der menschlichen Gesundheit einhergehen. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Polymerwerkstoffen, deren Einsatz ohne Schädigungen der Umwelt und/oder der menschlichen Gesundheit ermöglicht wird und gleichzeitig die Herstellung von Werkstoffen gewährleistet, die mindestens die erreichbaren technischen Parameter konventioneller Verfahren aufweisen. Gelöst wird diese Aufgabe durch Anwendung des Verfahrens mit den im Patentanspruch 1 angeführten beschreibenden Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit den in den Patentansprüchen 2 bis 10 angeführten technischen Merkmalen erreicht. Mit dem geschaffenen Verfahren können Polymerwerkstoffe hergestellt werden, die nichtpetrochemisch basierte Werkstoffkomponenten aufweisen. Das Herstellungserfahren ermöglicht weiterhin die Verhinderung von toxischen und gentoxischen Einflüssen auf die Umwelt durch Anwendung von Stoffkomponenten für Härter/Vernetzer und Katalysator, die auch als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen sind. Bei der Durchführung des Verfahrens kommt ein Katalysator zur Anwendung, der die Vernetzungsreaktionen initiiert und als Teilvernetzer fungiert. Insbesondere erweist sich die Verwendung von Ascorbinsäure durch ihre Mehrfunktionalität als Katalysator des Verfahrens geeignet. Vorteilhaft lassen sich nach der vorliegenden Erfindung Werkstoffe aus einem Gemisch, bestehend aus nativem Leinölepoxid, Zitronensäure und Ascorbinsäure, herstellen, die vorzugsweise thermisch härtbar sind, zur Herstellung von biegesteifen Formstoffen mit einer hohen Festigkeit geeignet sind und eine breite Anwendungspalette aufweisen. Effizient kann das geschaffene Verfahren durchgeführt werden, wenn die Masseanteile des zur Anwendung kommenden epoxidierten Triglycerides im Bereich von 55–75%, die Masseanteile der Polycarbonsäure im Bereich von 20–40% und die Masseanteile der Ascorbinsäure im Bereich von 0,01–5% liegen. Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
1: ein Diagramm des Reaktivitätserhaltens des modifizierten Leinölepoxids und
2: ein Diagramm des Reaktivitätserhaltens des unmodifizierten Leinölepoxids
Die Herstellung von Prototypen eines Formkörpers mit hoher Festigkeit und einem geringem spezifischen Gewicht wurde mit den nachfolgend geschilderten Verfahrensschritten und technischen Parameter hergestellt. Zu Beginn erfolgte die Herstellung des Härters/Katalysatorgemischs durch Vermischung von 8,3 g feingemahlener Zitronensäure und 0,44 g feingemahlener Ascorbinsäure unter Zugabe von Ethanol mittels eines Rührvorganges. Diese Mischung wird dann auf 60°C aufgeheizt und 15 min auf diesem Temperaturniveau gehalten und daran anschließend ein nochmaliges Verrühren und eine Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 0,3 grd/min vorgenommen. Danach erfolgt eine Lagerung über einen Zeitraum von ca. einem Tag bei Raumtemperatur.
Nach Ablauf der Lagerungszeit wurde in 12,3 g Leinölepoxid (CAS 8016-11-3 und EG Nr. 232-401-3) mit einem Oxirangehalt EO = 9 der Dichte zwischen 1,034 g/cm3 bei 20°C und 1,006 bei 60°C, dem Säurewert = 0,3 mg KOH/g und einer Viskosität von 1300 mPas bei 20°C das Vernetzer/Katalysatorgemisch im Verhältnis 1:0,41 bei Raumtemperatur eingerührt.
Anschließend wurde die Temperatur für den Zeitraum von 5 min auf 80°C erhöht und dann die flüssige Masse in eine vorgesehene Werkstoffform vergossen. Durch ein thermisches Nachhärten bei 100°C erhält man innerhalb von 30 min einen hoch vernetzten Formkörper.
Für die Herstellung eines pigmentierten Formkörpers werden Pigmente Rot (z. B. Irgazin Rot DPP BO oder Schwarz PBk 10.77265) mit 30% Masseanteil eingerührt und nach obiger Vorschrift ausgehärtet.
Die Herstellung eines Holz- und Zellulosefaser bewehrten Formkörpers erfolgt durch Einmischung von Holz- und Zellulosefasern mit 30% Masseanteil und einer Aushärtung nach obiger Vorschrift.
Die Wirkungen des angewandten Katalysators werden in den nachfolgenden 1 und 2 dargestellt. Die in den Figuren dargestellten Diagramme zeigen beeindruckend den beschleunigenden Ablauf des Verfahrens durch den Zusatz von Ascorbinsäure gegenüber den Stoffzusammensetzungen ohne Ascorbinsäure. Dargestellt werden die funktionellen Abhängigkeiten der erforderlichen Rührzeiten von der Aufnahme des Rührstromes durch das eingesetzte Rührwerk mit und ohne Zusatz des Katalysators. Die Vernetzungsgeschwindigkeit liegt beträchtlich höher, so dass mit Ascorbinsäure modifizierte Systeme wesentlich schneller aushärten und so eine breitere Palette von technischen Anwendungen ermöglichen.
Mit der Diagrammdarstellung in 1 wird das Reaktivitätsverhalten eines modifizierten Leinölepoxids durch Katalysatorzugabe wiedergegeben das durch den Viskositätsverlauf bestimmt wird. Die Diagrammdarstellung in 2 zeigt das Reaktivitätsverhalten eines unmodifizierten Leinölepoxids ohne Katalysatorzugabe, das durch den Viskositätsverlauf bestimmt wird.
Eine Übersicht über ausgewählte erreichte Eigenschaften des hergestellten Werkstoffs werden in den nachfolgenden Tabellen wiedergegeben. Tabelle 1 Ausgewählte Werkstoffeigenschaften des Formkörpers mit einer starrelastischen Formulierung

Eigenschaften Einheit Wert Prüfbedingungen

Dichte g/cm³ 1,1–1,4 DIN EN ISO 3675

Härte Shore D 60–80 DIN 53505

Biegefestigkeit für 7-mm Holzfaserproben MPa 15–20 DIN 51290

Tabelle 2 Ausgewählte Werkstoffeigenschaften des Formkörpers mit einer elastischen Formulierung

Eigenschaften Einheit Wert Prüfbedingungen

Zugmodul MPa 2,4–1,6 DIN EN 527

Bruchspannung MPa 0,8–1,1 DIN EN 527

Nom. Bruchdehnung % 42–48 DIN EN 527
Das Verfahren kann in äußerst vorteilhafter Weise für Prozesse, die vorrangig auf Heißverarbeitung basieren, eingesetzt werden. Dies können beispielweise das Heißverpressen von Faserverbunden aus Holz, Zellulose Hanf, Flachs u. a. und Kompaktformkörper, die beispielsweise im Druckguss erzeugt werden, sein. Weiterhin ist die Herstellung getränkter Einzel- und Mehrfachlagen aus verschiedenen saugfähigen Stoffen (z. B. Naturfasern) mit gleichartigen und/oder verschiedenartigen Eigenschaften im Verbund unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhafter Weise möglich. Die herstellbaren Polymerwerkstoffe eignen sich unter anderem für die Produktion von technischen Konstruktionsteilen wie z. B. Räder, Hebel, Verkleidungen, Wandungen und Stützelementen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19627165 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 3675 [0013]
- DIN 53505 [0013]
- DIN 51290 [0013]
- DIN EN 527 [0013]
- DIN EN 527 [0013]
- DIN EN 527 [0013]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Polymerwerkstoffen auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Polymerwerkstoffe durch Vermischung von auf nichtpetrochemischer Basis bestehenden Stoffkomponenten vorgenommen wird und dabei einem als Grundstoff eingesetzten epoxidierten Triglyceriden Masseanteile von als Härter oder Vernetzer dienenden Polycarbonsäure und Masseanteile von als Katalysator dienenden Ascorbinsäure zugegeben und vermischt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Vermischung der Zitronensäure und der Ascorbinsäure unter Zugabe von Ethanol erfolgt und die Mischung für die Zeitdauer von 15 min auf 60°C erwärmt wird, b) eine Abkühlung der Mischung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,3°C/min erfolgt, c) nach einer anschließenden Lagerzeit von mindestens 24 Stunden eine Vermischung des hergestellten Vernetzer/Katalysatorgemisches mit als Grundstoff zur Anwendung kommenden Leinölepoxid vorgenommen wird, d) die hergestellte Vermengung für die Zeitdauer von 5 min auf 80°C erwärmt und e) danach die entstandene flüssige Masse in die vorgesehene Werkstoffform gegossen wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem gegossenen Werkstoff ein Härtungsvorgang durch Erhitzung auf 100°C für einen Zeitraum von 30 min durchgeführt wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von pigmentierten Werkstoffen der flüssigen Masse Pigmente mit einem Masseanteil von 30% beigemengt werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Holz- und Zellulosefaser bewehrten Werkstoffen der flüssigen Masse Holz- und Zellulosefasern mit einem Masseanteil von 30% beigemengt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die als Härter oder Vernetzer dienende Polycarbonsäure Zitronensäure zur Anwendung kommt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die als Harter oder Vernetzer dienende Polycarbonsäure Aconitsäure zur Anwendung kommt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseanteile des zur Anwendung kommenden epoxidierten Triglycerides im Bereich von 55–75% liegen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseanteile der als Härter oder Vernetzer dienenden und bei der Durchführung des Verfahrens zur Anwendung kommenden Polycarbonsäure im Bereich von 20–40% liegen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseanteile der bei der Durchführung des Verfahrens als Katalysator dienenden Ascorbinsäure im Bereich von 0,01–5% liegen.