DE102014215627A1 - Verbundwerkstoff sowie Formteil aus diesem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundwerkstoff (10) sowie ein aus diesem hergestelltes Formteil. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff (10) umfassend einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff als Matrixmaterial (20) sowie einen Füllstoff (30), nämlich ein cellulosefreies Lignin oder ein Derivat, Abbau- oder Aufschlussprodukt von diesem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundwerkstoff niedrigen Gewichts, umfassend einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff als Matrixmaterial sowie einen Füllstoff. Die Erfindung betrifft ferner ein aus dem Verbundwerkstoff hergestelltes Formteil.
  • Verbundwerkstoffe bestehen im Allgemeinen aus zumindest zwei Hauptkomponenten, nämlich einem einbettenden Matrixmaterial sowie einem Füllstoff, aufgebaute Mehrphasen- oder Mischwerkstoffe. Der Füllstoff soll gezielt bestimmte Eigenschaften des Matrixmaterials optimieren. Dabei können ihm verschiedene Funktionen zukommen, insbesondere die Verbesserung mechanischer Eigenschaften oder aber die Reduzierung des spezifischen Gewichts. Letzteres gelingt dann, wenn der Füllstoff ein geringeres Gewicht, genauer eine geringere Dichte als das Matrixmaterial aufweist. Die Gewichtsreduzierung stellt insbesondere im automobilen Bereich eine wichtige Aufgabe dar, um Kraftstoff zu sparen und somit CO2-Emissionen zu verringern.
  • Als Matrixmaterialien kommen hauptsächlich Kunststoffe zum Einsatz, umfassend Duroplaste, Thermoplaste, Elastomere oder thermoplastische Elastomere. Füllstoffe sind häufig Gesteinsmehl, Talkum oder Glas. Die Füllstoffe können in partikulärer Form in dem Matrixmaterial verteilt vorliegen oder als Fasern.
  • Aus DE 102 28 191 A1 ist ein Werkstoff bekannt, der ein thermoplastisches Matrixmaterial, beispielsweise Polypropylen, und 60–98 % Lignocellulosefasern als Füllstoff aufweist. Optional können Haftvermittler wie Silane, Anhydride, Isocyanate und/oder dimere Alkylketene enthalten sein, die mit Hydroxylgruppen der Cellulose reagieren und die Löslichkeit der Cellulosefasern in der Matrix erhöhen. Die Aufbereitung erfolgt durch Extrusion und die Formgebung im Spritzgießverfahren, Strangablegeverfahren oder Pressverfahren.
  • EP 2 346 929 B1 beschreibt ebenfalls ein lignocellulose-gefülltes thermoplastischen Polymer, wobei letzteres ein Blend aus mindestens zwei Polymeren ist. Ferner kann der Werkstoff ein Temperaturstabilisierungsmittel zur Verhinderung der thermischen Zersetzung der Lignocellulose bei der Verarbeitung aufweisen, das insbesondere ein Schmiermittel ist.
  • Die in den vorstehend genannten Dokumenten als Füllstoff verwendete Lignocellulose ist der Hauptbestandteil von Zellwänden verholzter Pflanzen und besteht aus Cellulose und Hemicellulose, also Zuckermakromolekülen, und Lignin. Das Lignin wird während der Verholzung von Pflanzen in das Cellulose-Grundgerüst ihrer Zellwände eingelagert und durchdringt dieses.
  • Nachteilig an vielen gewichtsreduzierenden Füllstoffen des Standes der Technik sind ihr hoher Preis, ihre mangelnde Nachhaltigkeit aufgrund nichtnachwachsender Ressourcen, eine negative CO2-Bilanz und/oder ein negativer Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Kunststoffs.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für den Automobilbau geeigneten Verbundwerkstoff geringer Dichte beziehungsweise geringen spezifischen Gewichts zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Verbundwerkstoff sowie ein daraus gefertigtes Formteil mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff umfasst einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff als Matrixmaterial sowie einen Füllstoff. Erfindungsgemäß umfasst der Füllstoff Lignin oder ein Derivat oder Abbau- oder Aufschlussprodukt von diesem, wobei das Lignin im Wesentlichen cellulosefrei ist.
  • Lignin ist ein pflanzliches phenolisches Makromolekül, das aus verschiedenen Monomerbausteinen aufgebaut ist, die sich im Wesentlichen von verschiedenen Typen von Phenylpropanen ableiten und hauptsächlich über Etherbindungen miteinander verknüpft sind. In Pflanzen liegt Lignin zusammen mit Cellulosen (Cellulose und Hemicellulose) als sogenannte Lignocellulose vor, die den Hauptbestandteil von Zellwänden verholzter Pflanzen darstellt. Dabei wird das Lignin während der Verholzung der Pflanze in das Grundgerüst der Cellulose eingelagert. Lignin kommt daher in der Natur nicht in freier Form vor, sondern als Komponente eines interpenetrierenden Netzwerks mit Cellulose, und muss daher durch Aufschluss der Lignocellulose gewonnen werden. Bekannte Aufschlussverfahren von Lignocellulose haben das Ziel der Cellulosegewinnung, insbesondere für die Papierindustrie oder die Bioraffinerie, wobei Lignin als Abfallprodukt anfällt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „cellulosefrei“ somit auf Lignin, von dem die Cellulose, einschließlich der Hemicellulose, weitestgehend abgetrennt wurde. Insbesondere beträgt der Anteil an Cellulose und Hemicellulose zusammen höchstens 5 Gew.%, vorzugsweise höchstens 3 Gew.%, bezogen auf die Masse des Füllstoffs. Die Verwendung cellulosefreien Lignins hat den Vorteil, dass dieses als Abfallprodukt der Papierindustrie und der Bioraffinerie und damit kostengünstig und in sehr großen Mengen zur Verfügung steht. Bislang wird Lignin aus diesen Quellen ausschließlich thermisch verwertet, das heißt zur Wärmegewinnung verbrannt.
  • Lignin ist wesentlich kostengünstiger als übliche Matrixpolymere sowie auch gegenüber der im Stand der Technik als Füllstoff eingesetzten Lignocellulose. Somit zeichnet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff durch einen Kostenvorteil aus. Aufgrund seiner geringen Dichte, die wesentlich niedriger ist als die der Matrixmaterialien, eignet sich Lignin hervorragend zur Gewichtsreduzierung des Werkstoffs. Da Lignin aus nachwachsenden Rohstoffen stammt, weist es zudem eine positive CO2-Bilanz auf. Ferner ist Lignin gesundheitlich unbedenklich und lässt sich aufgrund seiner Hydrophobizität gegebenenfalls auch ohne Haftvermittler stabil in die meisten thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffe einarbeiten.
  • Das im Rahmen vorliegender Erfindung eingesetzte Lignin kann aus Weichholz, Hartholz oder Jährlingspflanzen stammen. Vorzugsweise wird als Füllstoff ein Aufschlussprodukt von Lignin verwendet, welches als Nebenprodukt der Cellulosegewinnung für die Papierindustrie oder die Bioraffinerie anfällt. In der Papierindustrie werden zum Aufschluss insbesondere der Kraft-Prozess (Sulfatverfahren), das Sulfidverfahren oder der Organosolv-Prozess verwendet. Beim Kraft-Prozess erfolgt der Ligninabbau durch Reaktion mit Hydrogensulfid unter basischen Bedingungen, wozu eine Lösung aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid verwendet wird. In diesem Milieu und bei erhöhten Temperaturen wird das Lignin teilweise abgebaut und ist in der Ablauge des Verfahrens als Festsubstanz in Form sogenannten Kraft-Lignins enthalten. Im Sulfidverfahren erfolgt der Ligninabbau durch Sulfonierung mit schwefliger Säure. In diesem Prozess werden Ligninsulfonate als Abbauprodukt erhalten. Beim Organosolv-Prozess erfolgt die Behandlung von Lignocellulose mit Lösungsmitteln wie Ethanol. Das Lignoboost-Verfahren hat die Extraktion von Lignin aus der Ablauge des Kraftverfahrens zum Gegenstand, um dessen Brennwert als Kraftstoff zu erhöhen. Im Wesentlichen umfasst das Lignoboost-Verfahren die Verdampfung der Ablauge und Ansäuerung des schwarzen Flüssigkeitsrückstandes mit CO2, um das Lignin auszufällen. Sämtliche der vorgenannten Aufschlussprodukte können direkt als Ausgangsstoff zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs Verwendung finden oder aber durch eine geeignete Behandlung thermisch stabilisiert werden, wie nachfolgend erläutert wird.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Lignin stabilisiertes Lignin verwendet, welches durch hydrothermale oxidative Behandlung, insbesondere hydrothermale Karbonisierung (HTC) erhalten wurde. Bei der hydrothermalen oxidativen Behandlung beziehungsweise der hydrothermalen Karbonisierung handelt es sich um ein Verfahren, bei dem pflanzliche Rohstoffe für die Gewinnung von Brennstoffen aufgeschlossen (desintegriert), dehydratisiert und polymerisiert werden, um den Kohlenstoffanteil zu erhöhen. Insbesondere wird bei erhöhten Temperaturen und Drücken und oxidativen Bedingungen das Lignin mit Wasserdampf behandelt, wobei es in radikalischen Prozessen zunächst in kleinere Spaltprodukte überführt wird, die wieder zu neuen Makromolekülen polymerisieren. Bevorzugte Verfahrensparameter der hydrothermalen Karbonisierung umfassen einen Druck im Bereich von 10 bis 80 bar sowie eine Temperatur im Bereich von 150 bis 300 °C. Zur Herstellung der oxidativen Bedingungen wird insbesondere Sauerstoff, vorzugsweise in Form von Luftsauerstoff genutzt. Stabilisiertes Lignin weist eine höhere Temperaturstabilität gegenüber nicht stabilisiertem Lignin auf. Hierdurch wird die Zersetzung des Lignins während der thermischen Verarbeitung des Matrixpolymers, welche üblicherweise sein Ausschmelzen einschließt, vermieden. Hierdurch steigt die Auswahl an Matrixmaterialien, da Verarbeitungstemperaturen von bis zu 300 °C ermöglicht werden. Ferner zeichnet sich stabilisiertes Lignin durch eine bessere Rieselfähigkeit als unstabilisiertes Lignin aus. Dies erleichtert das Compoundieren der Rohmaterialien.
  • Eine besonders bevorzugte Form des stabilisierten Lignins ist ein Makromonomer, welches sich zu mindestens 80 Gew.-%, insbesondere zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 95 Gew.-%, aus den vier in 5 dargestellten Einheiten in beliebiger Verknüpfung miteinander zusammensetzt.
  • Das Lignin kann in unterschiedlichen Reinheitsgraden als Füllstoff eingesetzt werden. Vorzugsweise beträgt ein Ascheanteil des Lignins höchstens 5 Gew.%, besonders bevorzugt höchstens 3 Gew.%. Da das Lignin mit den vorstehend beschriebenen Aufschlussprozessen ohnehin mit entsprechenden Reinheitsgraden anfällt, ist eine weitere Reinigung nicht erforderlich.
  • Das Lignin kann in dem Matrixmaterial in verschiedenen Formen vorliegen, insbesondere in Form eines Pulvers, in Form eines Agglomerats oder in Form von Fasern. Dabei werden unter Pulver Partikelgrößen von bis zu 1 mm verstanden, während Pellets Teilchengrößen von oberhalb 1 mm umfassen. Die Form des Lignins beeinflusst entscheidend die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs. Entsprechend richtet sich die Form nach dem gewünschten Eigenschaftsprofil.
  • Der Anteil von Lignin bezogen auf die Gesamtmasse des Verbundwerkstoffs liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 60 Gew.%, insbesondere im Bereich von 10 bis 35 Gew.%. Unterhalb eines Anteils von 5 Gew.% schwindet der Effekt der Gewichtsreduzierung des Verbundwerkstoffs. Bei Anteilen von oberhalb von 60 Gew.% hingegen können mechanische Eigenschaften des Werkstoffs nachteilig beeinflusst werden.
  • Ein Vorteil des Lignins besteht in seiner Eignung, auch ohne Haftvermittler mit den meisten Kunststoffen verarbeitbar zu sein. Diese Eignung resultiert aus der hydrophoben Beschaffenheit von Lignin, welches es gut mischbar mit den zumeist ebenfalls hydrophoben Kunststoffmaterialien macht. Zudem ist Lignin sehr reaktiv, sodass es auch zu einer chemischen Einbindung in das Matrixmaterial kommen kann, wodurch eine hohe Stabilität des Komposits vor Migrationserscheinungen oder Entmischung erlangt wird. Zudem kann es zu einer Eigenvernetzung des Lignins unter erhöhten Prozesstemperaturen kommen. Diese ist insbesondere bei höheren Ligninanteilen im Verbundwerkstoff der Fall. All dies ermöglicht den Verzicht oder Reduzierung des Anteils von Haftvermittlern im Werkstoff. Im Bedarfsfall lässt sich jedoch die Kompatibilität des Lignins mit dem Kunststoff durch den Zusatz von Haftvermittlern verbessern, wobei hier insbesondere Maleinsäureanhydrid verwendet werden kann.
  • Als Matrixmaterial des Verbundwerkstoffs kommt ein thermoplastisch verarbeitbarer Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe der Thermoplaste, Elastomere und thermoplastischen Elastomere, zum Einsatz. Insbesondere ist der thermoplastisch verarbeitbare Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyolefine, insbesondere Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Styrol-Acrylnitril (SAN), Polystyrol (PS), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), sowie deren Blends und interpenetrierenden Netzwerke. Bevorzugte Blends umfassen das thermoplastische Elastomer PP/EPDM, PET/PBT, PC/ABS, PC/PBT und andere.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff hergestelltes Formteil.
  • Mit besonderem Vorteil kann das Formteil, das sich durch sein niedriges Gewicht auszeichnet, eine Komponente eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise ein Stoßfänger oder ein Verkleidungsteil des Innenraums.
  • Die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien, das heißt ihre Compoundierung, erfolgt vorzugsweise durch Extrusion. Hierbei werden die Ausgangsstoffe, umfassend das Matrixmaterial, das Lignin und gegebenenfalls der Haftvermittler oder andere Additive, in einem Extruder vermengt, wobei das Lignin in das Matrixpolymer eingearbeitet wird. Es wird somit eine spritzgussfähige Masse erzeugt, die entweder direkt formgebend weiterverarbeitet wird oder beispielsweise zu einem Granulat verarbeitet wird, das seinerseits als Werkstoff für die Herstellung von Formteilen dient.
  • Die anschließende Formgebung zu einem Formteil erfolgt etwa in einer Spritzgussmaschine, in einem Presswerkzeug oder durch Strangablegeverfahren.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch die Struktur des Verbundwerkstoffs der Erfindung;
  • 2 Biosynthesebausteine von Lignin: (A) Cumarylalkohol (4-Hydroxyphenyl-2-propen-1-ol), (B) Coniferylalkohol (4-Hydroxy-3-methoxyphenyl-2-propen-1-ol), (C) Sinapylalkohol (4-Hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl-2-propen-1-ol);
  • 3 Einheiten des durch das Kraft-Verfahren erhaltenen Kraft-Lignins: (A) 4-Hydroxyphenyl-Einheiten, (B) Guaiacyl-Einheiten, (C) Syringyl-Einheiten, (D) oxidierte Syringyl-Einheiten mit einer Cα-Carbonylgruppe und
  • 4 Einheiten von durch hydrothermale Karbonisierung stabilisierten Lignins.
  • 1 zeigt eine hypothetische Darstellung des insgesamt mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs auf molekularer Ebene. Der Verbundwerkstoff 10 umfasst ein Matrixmaterial 20, bei dem es sich um einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff handelt, der hier als fadenförmige Struktur dargestellt ist. Bei dem Matrixmaterial kann es sich beispielsweise – wie hier dargestellt – um ein semikristallines thermoplastisches Polymer handeln. Dieses weist vorliegend mit 21 bezeichnete kristalline Phasen auf, in denen die Polymerketten in einer geordneten und dicht gepackten Struktur vorliegen. Darüber hinaus weist das Matrixmaterial 20 amorphe Phasen 22 auf, die durch eine ungeordnete, knäuelartige Struktur der Polymerketten gekennzeichnet sind.
  • Um das spezifische Gewicht des Werkastoffs zu reduzieren, enthält der Verbundwerkstoff 10 neben der Matrix 20 zudem einen Füllstoff 30. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Füllstoff 30 um Lignin, einem Derivat von diesem oder einem Abbau- oder Aufschlussprodukt von diesem.
  • Lignin ist ein phenolisches Makromonomer, das in den Zellwänden verholzter Pflanzen in großen Anteilen vorliegt. Biosynthetisch wird es aus verschiedenen p-Hydroxyphenylpropenolen, den sogenannten Monolignolen, aufgebaut. Diese sind in 2 dargestellt, wobei 2a Cumarylalkohol, 2b Coniferylalkohol und 2c Sinapylalkohol zeigt. Im Lignin liegen diese Bausteine hauptsächlich aber nicht ausschließlich durch Ether-Bindungen verknüpft vor, die vorwiegend zwischen der phenolischen Hydroxidgruppe und dem Propylrest, hauptsächlich dem C2-Atom derselben, gebildet werden. Die dabei entstehende dreidimensional verknüpfte Struktur durchdringt dabei das Zuckergerüst der Cellulose und Hemicellulose der pflanzlichen Zellwände in der Art eines interpenetrierenden Netzwerkes.
  • Erfindungsgemäß wird als Füllstoff 30 Lignin verwendet, das im Wesentlichen cellulosefrei ist. Dabei bedeutet cellulosefrei vorliegend die weitestgehende Abwesenheit von Cellulose und Hemicellulose, insbesondere einen Celluloseanteil von höchstens 5 Gew.%, vorzugsweise von höchstens 3 Gew.%, bezogen auf den Füllstoff 30.
  • Um den Celluloseanteil von dem Ligninanteil in der Lignocellulose voneinander zu trennen, kommen verschiedene Aufschlussverfahren zum Einsatz, bei denen das Lignin teilweise abgebaut wird. Vorzugsweise wird als Füllstoff 30 des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 10 ein solches Abbau- oder Aufschlussprodukt von Lignin eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Abbauprodukt von Lignin aus dem Kraft-Prozess eingesetzt, welcher zur Cellulosegewinnung der Papierindustrie üblich ist. Beim Kraft-Prozess wird die Lignocellulose in einer Lauge aus Natriumhydroxid NaOH und Natriumsulfid Na2S bei einem pH-Wert von etwa pH 13 und Temperaturen von etwa 170 °C über mehrere Stunden behandelt. In der Ablauge dieses Teilaufschlusses liegt das sogenannte Kraft-Lignin als Festsubstanz vor.
  • 3 zeigt typische Einheiten des durch das Kraft-Verfahren erhaltenen Kraft-Lignins. Typischerweise sind die Propyl-Seitenketten der Phenylgruppen an ihrer C2-Position hydroxyliert (siehe 3a bis c), zum Teil tragen sie an dieser Stelle auch eine Carbonyl-Gruppe (3d). Die gezeigten Einheiten sind im Kraft-Lignin beliebig untereinander verknüpft. Das Kraft-Lignin liegt üblicherweise als braunes Pulver vor.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Kraft-Lignin, dessen Bausteine in 3 dargestellt sind, als solches als Füllstoff 30 in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff 10 eingesetzt werden. Bedarfsweise wird das Kraft-Lignin (oder ein Lignin einer beliebigen anderen Quelle) jedoch in stabilisierter Form eingesetzt, um die thermische Stabilität des Lignins zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird das Lignin einer hydrothermalen oxidativen Behandlung, insbesondere der hydrothermalen Karbonisierung (HTC für hydrothermal carbonisation) unterworfen. Dieser Prozess wird nachfolgend erläutert.
  • Ein für das HTC-Verfahren geeigneter Reaktor umfasst einen säulenartigen Reaktorkessel, in dessen oberen Bereich das zu stabilisierende Lignin (oder ein Derivat, Abbau- oder Aufschlussprodukt von Lignin) zugeführt wird. Ebenfalls in dem oberen Bereich des Reaktorkessels wird überhitzter Wasserdampf mit einem Druck im Bereich von 10 bis 80 bar und einer Temperatur von 150 bis 300 °C zugeführt. Im oberen Bereich erfolgt somit ein Aufheizen des Schüttguts von Raumtemperatur auf die Temperatur des zugeführten Wasserdampfs innerhalb eines Zeitraums von beispielsweise einer bis dreißig Minuten.
  • In der oberen Zone des Reaktors findet zunächst eine Desintegration des Lignins statt, das heißt eine radikale Spaltung der Makromoleküle in kleinere Bestandteile. Zudem finden weitere Oxidationsprozesse mit dem vorhandenen Luftsauerstoff statt. Die in dieser Zone stattfindenden Prozesse umfassen zudem eine Dehydratisierung des Ligninmaterials. Es entstehen flüssige Produkte des Lignins. In einer mittleren Zone finden hauptsächlich Polymerisationsprozesse statt, bei denen sich die radikalischen Spaltprodukte des Lignins neu miteinander verbinden. Im Zuge der Polymerisation kommt es zu einem Ausfällen der festen Produkte. Außerdem erfolgt eine Entgasung der festen Produkte.
  • In dem unteren Abschnitt des Reaktors befindet sich die Sedimentationszone, in der es zu einem Abkühlen der festen Produkte auf Raumtemperatur und ihre Entspannung auf Umgebungsdruck kommt. Ferner sedimentieren die Produkte in diesem Bereich und werden am unteren Ende der Kolonne aus dieser abgeführt.
  • Der dem Reaktor zugeführte Wasserdampf dient einerseits der Aufheizung des zugeführten Schüttguts und andererseits der Wärmeabfuhr und der Kontrolle der stark exothermen Oxidationsreaktionen. Das aus dem Reaktor abgeführte Prozesswasser wird durch einen Wärmetauscher geführt und in der mittleren Zone I dem Reaktor wieder zugeführt.
  • Das Produkt der hydrothermalen Carbonisierung des Lignins wird getrocknet, wodurch ein schwarzes Pulver erhalten wird. Es wurde mit den Mitteln der NMR-, IR- und Massenspektroskopie sowie der Elementaranalyse analysiert. Die Untersuchung ergab eine Struktur, deren Aufbaueinheiten in 4a bis d gezeigt sind. Dabei können die vier gezeigten Strukturen beliebig miteinander verknüpft sein. Es ist erkennbar, dass die methoxilierten Phenylstrukturen der Ausgangsstrukturen (vergleiche 3) unter Bildung verschiedener Sauerstoffheterozyklen neu miteinander verknüpft werden. Das so stabilisierte Lignin zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Während das nicht stabilisierte Lignin bei Temperaturen oberhalb von 200 °C sich zu zersetzen beginnt, ist das stabilisierte Lignin auch bei höheren Temperaturen, typischerweise bei Temperaturen von bis zu 300 °C, thermisch stabil. Das nicht stabilisierte Lignin ist somit geeignet, für Kunststoffmaterialien mit niedrigen Schmelztemperaturen, beispielsweise Polyethylen oder Propylen, als Füllstoff eingesetzt zu werden. Demgegenüber ist das stabilisierte Lignin auch für höher schmelzende Kunststoffe einsetzbar, beispielsweise in Polyamiden, PMMA, PC und deren Blends.
  • Die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs erfolgt durch Compoundierung der Ausgangsmaterialien, vorzugsweise in einem Extruder. Die Ausgangsmaterialien umfassen das Matrixmaterial vorzugsweise in Form eines Granulats, das Lignin in Form eines Pulvers, von Pellets oder als Fasern und gegebenenfalls einen Haftvermittler. Ferner können weitere Additive, etwa auch Pigmente etc. eingesetzt werden. Der Extruder wird entweder mit den separaten Ausgangsmaterialien beschickt oder die Ausgangsmaterialien werden vorgemischt und dem Extruder als Mischung zugeführt. In dem Extruder erfolgen ein Aufschmelzen des Matrixmaterials entsprechend der Schmelztemperatur des verwendeten Kunststoffs und die Einarbeitung des Lignins und gegebenenfalls des Haftvermittlers und weiterer Additive in das Matrixmaterial. Es entsteht eine homogene Schmelze des Matrixmaterials, in dem der Füllstoff gleichmäßig dispergiert vorliegt.
  • Die anschließende Formgebung zur Herstellung eines Formteils aus dem Verbundwerkstoff kann beispielsweise in einem Spritzgießwerkzeug oder einem Presswerkzeug erfolgen oder im Strangablebeverfahren.
  • Nachfolgend sind einige konkrete Beispiele erfolgreich getesteter Zusammensetzungen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials aufgeführt.
  • Beispiele:
  • Beispiel 1
    Matrixmaterial: ABS
    Ligninquelle: Weichholz (Papierindustrie)
    Aufschluss: Kraft-Prozess
    Stabilisierung: HTC
    Aschanteil Lignin: < 3 Gew.-%
    Haftvermittler: Maleinsäureanhydrid
    Ligninanteil: 20 Gew.-%
    Beispiel 2
    Matrixmaterial: PP
    Ligninquelle: Hartholz (Papierindustrie)
    Aufschluss: Kraft-Prozess
    Stabilisierung: ohne
    Aschanteil Lignin: < 2 Gew.-%
    Haftvermittler: Maleinsäureanhydrid
    Ligninanteil: 10 Gew.-%
    Beispiel 3
    Matrixmaterial: SAN
    Ligninquelle: Hartholz (Papierindustrie)
    Aufschluss: Kraft-Prozess
    Stabilisierung: HTC
    Aschanteil Lignin: < 3 Gew.-%
    Haftvermittler: ohne
    Ligninanteil: 30 Gew.-%
    Beispiel 4
    Matrixmaterial: PC/PBT
    Ligninquelle: Hartholz (Bioraffinerie)
    Aufschluss: Lignoboost-Prozess
    Stabilisierung: HTC
    Aschanteil Lignin: < 3 Gew.-%
    Haftvermittler: ohne
    Ligninanteil: 5 Gew.-%
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbundwerkstoff
    20
    Matrixmaterial / thermoplastisch verarbeitbarer Kunststoff
    21
    kristalline Phase
    22
    amorphe Phase
    30
    Füllstoff / Lignin
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10228191 A1 [0004]
    • EP 2346929 B1 [0005]

Claims (10)

  1. Verbundwerkstoff (10) umfassend einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff als Matrixmaterial (20) sowie einen Füllstoff (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (30) ein Cellulose-freies Lignin oder ein Derivat, Abbau- oder Aufschlussprodukt von diesem umfasst.
  2. Verbundwerkstoff (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an Cellulose und Hemicellulose höchstens 5 Gew.-%, insbesondere höchstens 3 Gew.-%, bezogen auf den Füllstoff (30) beträgt.
  3. Verbundwerkstoff (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (30) ein Aufschlussprodukt von Lignin umfasst, erhalten aus dem Kraft-Prozess, aus dem Sulfitverfahren, aus dem Organosolv-Prozess oder dem Lignoboost-Prozess.
  4. Verbundwerkstoff (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lignin stabilisiertes Lignin ist, welches durch eine hydrothermale oxidative Behandlung, insbesondere durch hydrothermale Karbonisierung (HTC), erhalten wurde.
  5. Verbundwerkstoff (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lignin in dem Matrixmaterial (20) in Form eines Pulvers, in Form eines Agglomerats oder von Fasern vorliegt.
  6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lignin einen Ascheanteil von höchstens 5 Gew.-%, insbesondere von höchstens 3 Gew.-% aufweist.
  7. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von Lignin im Bereich von 5 bis 60 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 10 bis 35 Gew.-%, bezogen auf den Verbundwerkstoff liegt.
  8. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastisch verarbeitbare Kunststoff ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer ist.
  9. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Haftvermittler enthalten ist, insbesondere Maleinsäureanhydrid.
  10. Formteil, hergestellt aus einem Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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