DE102019105822A1 - Chemically modified lignin and process for its production - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Modifizierung von Lignin. Die Erfindung betrifft auch chemisch modifiziertes Lignin, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden kann, sowie durch Pressen erhältliche Formkörper und ein Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers insbesondere bei der Herstellung von Fahrzeugen, Möbeln, Laminatböden und/oder Bauwerken.The present invention relates to a method for chemically modifying lignin. The invention also relates to chemically modified lignin which can be obtained by the process according to the invention, as well as molded articles obtainable by pressing and a method for producing such molded articles. The invention also relates to the use of a shaped body according to the invention, in particular in the production of vehicles, furniture, laminate floors and / or buildings.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Modifizierung von Lignin. Die Erfindung betrifft auch chemisch modifiziertes Lignin, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden kann, sowie durch Pressen erhältliche Formkörper und ein Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers insbesondere bei der Herstellung von Fahrzeugen, Möbeln, Laminatböden und/oder Bauwerken.The present invention relates to a method for chemically modifying lignin. The invention also relates to chemically modified lignin which can be obtained by the process according to the invention, as well as molded articles obtainable by pressing and a method for producing such molded articles. The invention also relates to the use of a shaped body according to the invention, in particular in the production of vehicles, furniture, laminate floors and / or buildings.
Holzbasierte Platten wie beispielsweise Mitteldichte Faserplatten (MDF), Hochdichte Faserplatten (HDF) oder auch Grobspanplatten (OSB) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Platten bringen jedoch verschiedene Nachteile mit sich. Sie weisen beispielsweise eine hohe Quellbarkeit bei Wasserkontakt auf. Außerdem kann es zur Emission von giftigem Formaldehyd kommen. Abgesehen davon ist die vollständige oder teilweise Substitution hochwertiger Holzfasern durch andere Materialien auch unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft.Wood-based panels such as medium-density fiberboard (MDF), high-density fiberboard (HDF) or coarse chipboard (OSB) are known from the prior art. However, such panels have various disadvantages. For example, they have a high swellability on contact with water. In addition, toxic formaldehyde can be emitted. Apart from this, the complete or partial substitution of high-quality wood fibers by other materials is also advantageous from an economic and ecological point of view.
Es wäre besonders vorteilhaft, wenn Lignin zur Substitution von Holzfasern eingesetzt werden könnte, da es jährlich allein in der Papierindustrie im mehrstelligen Megatonnenmaßstab als Nebenprodukt anfällt und heute nahezu ausschließlich energetisch genutzt wird. Wenn Lignin dennoch für Kompositmaterialien genutzt wird, wird es bislang typischerweise in eine Präpolymermatrix eingebracht, wobei ab einem Gewichtsanteil von mehr als 30% Lignin eine erhebliche Verminderung der mechanischen Stabilität beobachtet wird. Dieses Phänomen ist vermutlich auf verschiedene Ursachen zurückzuführen, wobei unter anderem die sehr starke Erhöhung der Viskosität der Reaktionsmischung durch Zugabe des Lignins eine bedeutende Rolle spielen könnte.It would be particularly advantageous if lignin could be used as a substitute for wood fibers, since it is a by-product in the multi-digit megaton scale in the paper industry alone and is now used almost exclusively for energy. If lignin is nevertheless used for composite materials, it has so far typically been incorporated into a prepolymer matrix, with a significant reduction in mechanical stability being observed from a weight fraction of more than 30% lignin. This phenomenon is presumably due to various causes, among which the very strong increase in the viscosity of the reaction mixture by adding the lignin could play an important role.
Die bisher bekannte chemische Modifizierung von Lignin wird an molekular gelöstem Lignin durchgeführt. Dadurch ergeben sich mehrere Nachteile. Zum einen ist die Aufreinigung verhältnismäßig aufwendig, wobei große Mengen an Fällungsmittel benötigt werden. Zum anderen ist die Ausbeute verhältnismäßig gering, da ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Produkts in der Lösemittelphase verbleibt.The previously known chemical modification of lignin is carried out on molecularly dissolved lignin. This has several disadvantages. On the one hand, the purification is relatively complex, with large amounts of precipitant being required. On the other hand, the yield is relatively low, since a not insignificant proportion of the product remains in the solvent phase.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung von chemisch modifiziertem Lignin bereitgestellt werden, das eine einfache Aufreinigung ermöglicht, ressourcensparend ist und eine hohe Ausbeute hat. Außerdem soll das chemisch modifizierte Lignin zur Herstellung von Formkörpern eingesetzt werden können, wobei trotz eines hohen Lignin-Anteils gute mechanische Eigenschaften erhalten werden.It is therefore an object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art. In particular, a method for the production of chemically modified lignin is to be provided, which enables simple purification, is resource-saving and has a high yield. In addition, the chemically modified lignin should be able to be used for the production of molded bodies, good mechanical properties being obtained despite a high lignin content.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst. Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von chemisch modifiziertem Lignin umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen von Lignin, wobei das Lignin OH-Gruppen aufweist,
- b) Zugabe einer Diisocyanat-Komponente zum Lignin zum Erhalt eines Reaktionsgemisches, wobei das Verhältnis des Stoffmengenanteils der Diisocyanat-Komponente zum Stoffmengenanteil der Lignin-basierten OH-Gruppen in dem Reaktionsgemisch weniger als 1 beträgt,
- c) Halten des Reaktionsgemisches bei einer Temperatur von mindestens 50°C für einen Zeitraum von mindestens 10 Minuten,
- d) Isolieren des chemisch modifizierten Lignins aus dem Reaktionsgemisch.
- a) providing lignin, the lignin having OH groups,
- b) adding a diisocyanate component to the lignin to obtain a reaction mixture, the ratio of the mole fraction of the diisocyanate component to the mole fraction of the lignin-based OH groups in the reaction mixture being less than 1,
- c) keeping the reaction mixture at a temperature of at least 50 ° C for a period of at least 10 minutes,
- d) isolating the chemically modified lignin from the reaction mixture.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung besteht das Verfahren aus den genannten Schritten.In certain embodiments of the invention, the method consists of the steps mentioned.
Das chemisch modifizierte Lignin enthält bevorzugt freie (und daher reaktive) Isocyanatgruppen. Solche freien Isocyanatgruppen sind besonders vorteilhaft, um eine Verbindung zwischen dem chemisch modifizierten Lignin und einer Faserkomponente oder eine Verbindung zwischen zwei Lignin-Polymeren auszubilden. Solche Verbindungen sind insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung eines Formkörpers aus dem chemisch modifizierten Lignin oder aus einer Mischung des chemisch modifizierten Lignins mit einer Faserkomponente. Verbindungen zwischen dem chemisch modifizierten Lignin und einer Faserkomponente sind ganz besonders bevorzugt.The chemically modified lignin preferably contains free (and therefore reactive) isocyanate groups. Such free isocyanate groups are particularly advantageous in order to form a connection between the chemically modified lignin and a fiber component or a connection between two lignin polymers. Such compounds are particularly advantageous in the production of a shaped body from the chemically modified lignin or from a mixture of the chemically modified lignin with a fiber component. Connections between the chemically modified lignin and a fiber component are very particularly preferred.
In Schritt a) kann das Lignin in Form eines Feststoffes bereitgestellt werden.In step a) the lignin can be provided in the form of a solid.
Bevorzugt wird in Schritt a) jedoch eine Lignin-Suspension bereitgestellt. Bevorzugt enthält die Suspension Lignin-Partikel in einer Suspensionsflüssigkeit. However, a lignin suspension is preferably provided in step a). The suspension preferably contains lignin particles in a suspension liquid.
Das Lignin liegt also bevorzugt nicht in gelöster Form vor, sondern in Form einer Suspension, die Lignin-Partikel enthält. Bevorzugt liegen weniger als 5 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% des Lignins in der Lignin-Suspension in gelöster Form vor.The lignin is therefore preferably not in dissolved form, but in the form of a suspension which contains lignin particles. Preferably less than 5% by weight, more preferably less than 2% by weight, more preferably less than 1% by weight, more preferably less than 0.1% by weight of the lignin in the lignin suspension is in dissolved form Shape before.
Da bevorzugt eine Lignin-Suspension eingesetzt wird, muss das Lignin nicht löslich sein, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Daher können Lignine unterschiedlichen Ursprungs und aus unterschiedlichen Aufschlussverfahren verwendet werden. Das Verfahren ist also sehr variabel bezogen auf den Ausgangsrohstoff. Bevorzugt ist das Lignin ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kraft-Lignin, Lignin aus Alkali-Aufschluss, Lignin aus Sulfat Aufschluss, Lignin aus Organosolv Prozess. Besonders bevorzugt ist Kraft-Lignin, insbesondere getrocknetes Kraft-Lignin.Since a lignin suspension is preferably used, the lignin does not have to be soluble in order to carry out the method according to the invention. Therefore, lignins of different origins and from different digestion processes can be used. The process is very variable based on the raw material. The lignin is preferably selected from the group consisting of Kraft lignin, lignin from alkali digestion, lignin from sulfate digestion, lignin from Organosolv process. Kraft lignin, in particular dried Kraft lignin, is particularly preferred.
Das Lignin weist OH-Gruppen auf. Bevorzugt liegt der Anteil an OH-Gruppen im Lignin aus Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Bereich von 0,5 mol/kg bis 100 mol/kg, weiter bevorzugt von 1 mol/kg bis 50 mol/kg, weiter bevorzugt von 2 mol/kg bis 20 mol/kg, weiter bevorzugt 3 mol/kg bis 12 mol/kg.The lignin has OH groups. The proportion of OH groups in the lignin from step a) of the method according to the invention is preferably in a range from 0.5 mol / kg to 100 mol / kg, more preferably from 1 mol / kg to 50 mol / kg, more preferably from 2 mol / kg to 20 mol / kg, more preferably 3 mol / kg to 12 mol / kg.
Die Lignin-Suspension enthält Lignin-Partikel in einer Suspensionsflüssigkeit. Die Suspensionsflüssigkeit wird bevorzugt derart gewählt, dass die Löslichkeit von Lignin in der Suspensionsflüssigkeit sehr gering ist, damit eine Lignin-Suspension und nicht eine Lignin-Lösung erhalten wird. Andererseits sollte die Löslichkeit der in Schritt b) zugegebenen Diisocyanat-Komponente in der Suspensionsflüssigkeit hoch sein, damit die Diisocyanat-Komponente in der gemäß Schritt b) erhaltenen Reaktionssuspension überwiegend in gelöster Form vorliegt. Bevorzugt ist die Suspensionsflüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Lösungsmitteln (insbesondere Toluol), aliphatischen Lösungsmitteln, Ether, Estern, Ketonen, Halogenwasserstoffen und Mischungen von zwei oder mehr davon. Besonders bevorzugt umfasst die Suspensionsflüssigkeit Toluol. Noch weiter bevorzugt ist die Suspensionsflüssigkeit Toluol, insbesondere getrocknetes Toluol. Getrocknetes Toluol kann beispielsweise durch Abrotieren von etwa 5% des Volumens erhalten werden.The lignin suspension contains lignin particles in a suspension liquid. The suspension liquid is preferably chosen such that the solubility of lignin in the suspension liquid is very low, so that a lignin suspension and not a lignin solution is obtained. On the other hand, the solubility of the diisocyanate component added in step b) should be high in the suspension liquid, so that the diisocyanate component is predominantly in dissolved form in the reaction suspension obtained in step b). The suspension liquid is preferably selected from the group consisting of aromatic solvents (especially toluene), aliphatic solvents, ethers, esters, ketones, hydrogen halides and mixtures of two or more thereof. The suspension liquid particularly preferably comprises toluene. The suspension liquid is even more preferably toluene, in particular dried toluene. Dried toluene can be obtained, for example, by spinning off about 5% of the volume.
Bevorzugt liegt der Lignin-Anteil in der Lignin-Suspension in einem Bereich von 10 g/l bis 5000 g/l, weiter bevorzugt von 20 g/l bis 2000 g/l, weiter bevorzugt von 50 g/l bis 1000 g/l, weiter bevorzugt von 100 g/l bis 500 g/l, weiter bevorzugt von 200 g/l bis 300 g/l.The lignin fraction in the lignin suspension is preferably in a range from 10 g / l to 5000 g / l, more preferably from 20 g / l to 2000 g / l, more preferably from 50 g / l to 1000 g / l , more preferably from 100 g / l to 500 g / l, more preferably from 200 g / l to 300 g / l.
Gemäß Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Erhalt eines Reaktionsgemisches, insbesondere zum Erhalt einer Reaktionssuspension, eine Diisocyanat-Komponente zum Lignin, insbesondere zur Lignin-Suspension zugegeben. Zusätzlich zur Diisocyanat-Komponente wird bevorzugt auch ein Katalysator zum Lignin, insbesondere zur Lignin-Suspension zugegeben. Ein Katalysator ist jedoch nicht zwingend notwendig, sondern lediglich optional vorgesehen.According to step b) of the process according to the invention, a diisocyanate component is added to the lignin, in particular to the lignin suspension, to obtain a reaction mixture, in particular to obtain a reaction suspension. In addition to the diisocyanate component, a catalyst is preferably also added to the lignin, in particular to the lignin suspension. However, a catalytic converter is not absolutely necessary, but only provided as an option.
Zusätzlich zu den oben genannten Komponenten enthält das Reaktionsgemisch (insbesondere die Reaktionssuspension) bevorzugt keine weiteren Komponenten, insbesondere keine Harzkomponenten (beispielsweise Kunstharze). Besonders bevorzugt ist das Reaktionsgemisch, insbesondere die Reaktionssuspension frei von ungesättigten Polyesterharzen.In addition to the components mentioned above, the reaction mixture (in particular the reaction suspension) preferably contains no further components, in particular no resin components (for example synthetic resins). The reaction mixture, in particular the reaction suspension, is particularly preferably free from unsaturated polyester resins.
Wenn es in der vorliegenden Beschreibung heißt, das Reaktionsgemisch (insbesondere die Reaktionssuspension) enthalte eine Komponente nicht oder sei frei von einer Komponente, so bedeutet dies bevorzugt, dass der Anteil solcher Komponenten an dem Reaktionsgemisch, insbesondere an der Reaktionssuspension weniger als 0,1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,01 Gew.-% beträgt.If it is stated in the present description that the reaction mixture (in particular the reaction suspension) does not contain a component or is free of a component, this preferably means that the proportion of such components in the reaction mixture, in particular in the reaction suspension, is less than 0.1 wt %, more preferably less than 0.05% by weight, more preferably less than 0.01% by weight.
Bevorzugt ist der Katalysator ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zinn-(II)-Salzen und Zinnorganylen, insbesondere Dialkylzinn-(IV)-verbindungen.The catalyst is preferably selected from the group consisting of tin (II) salts and tin organyls, in particular dialkyltin (IV) compounds.
Besonders bevorzugt sind die Zinnorganyle ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dibutylzinn-(IV)-verbindungen, Dipentylzinn-(IV)-verbindungen, Dihexylzinn-(IV)-verbindungen, Diheptylzinn-(IV)-verbindungen, Dioctylzinn-(IV)-verbindungen und Mischungen aus zwei oder mehreren davon. Dimethyl-, Diethyl- und Dipropylzinn-(IV)-verbindungen sind weniger bevorzugt, da sie eine hohe Giftigkeit aufweisen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Katalysator eine Dioctylzinn-(IV)-Verbindung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dioctylzinnoxid, Dioctylzinndichlorid, Dioctlyzinndilaurat, Dioctylzinnmaleat, Dioctylzinndithioglycolat, Dioctylzinndiacetat, Dioctylzinncarboxylat und Mischungen aus zwei oder mehr davon. Ganz besonders bevorzugt ist der Katalysator ein Dioctylzinn-(IV)-Katalysator. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist der Katalysator eine Dibutylzinn-(IV)-Verbindung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dibutylzinnoxid, Dibutylzinndichlorid, Dioctlyzinndilaurat, Dibutylzinnmaleat, Dibutylzinndithioglycolat, Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinncarboxylat und Mischungen aus zwei oder mehr davon. Ganz besonders bevorzugt ist der Katalysator ein Dibutylzinn-(IV)-Katalysator.The tin organyls selected from the group consisting of dibutyltin (IV) compounds, dipentyltin (IV) compounds, dihexyltin (IV) compounds, diheptyltin (IV) compounds, and dioctyltin (IV) compounds are particularly preferred and mixtures of two or more thereof. Dimethyl, diethyl and dipropyltin (IV) compounds are less preferred because they have high toxicity. In particularly preferred embodiments, the catalyst is a dioctyltin (IV) compound, in particular selected from the group consisting of dioctyltin oxide, dioctyltin dichloride, dioctlytin dilaurate, Dioctyl tin maleate, dioctyl tin dithioglycolate, dioctyl tin diacetate, dioctyl tin carboxylate, and mixtures of two or more thereof. The catalyst is very particularly preferably a dioctyltin (IV) catalyst. In other preferred embodiments, the catalyst is a dibutyltin (IV) compound, in particular selected from the group consisting of dibutyltin oxide, dibutyltin dichloride, dioctlytin dilaurate, dibutyltin maleate, dibutyltin dithioglycolate, dibutyltin diacetate, dibutyltin carboxylate and mixtures thereof. The catalyst is very particularly preferably a dibutyltin (IV) catalyst.
Bevorzugte Zinn-(II)-Salze sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Salzen anorganischer oder organischer Säuren. Die Zinn-(II)-Salze sind besonders bevorzugt Salze von Carbonsäuren, insbesondere Zinn-(II)-ethylhexanoat oder Salze anderer Carbonsäuren wie beispielsweise Salze der Essigsäure, der Laurylsäure oder der Salicylsäure. Das Zinn-(II)-Salz ist ganz besonders bevorzugt Zinn-(II)-ethylhexanoat.Preferred tin (II) salts are selected from the group consisting of salts of inorganic or organic acids. The tin (II) salts are particularly preferably salts of carboxylic acids, in particular tin (II) ethylhexanoate or salts of other carboxylic acids such as salts of acetic acid, lauric acid or salicylic acid. The tin (II) salt is very particularly preferably tin (II) ethylhexanoate.
Bevorzugt liegt das Verhältnis des Stoffmengenanteils der Diisocyanat-Komponente zum Stoffmengenanteil des Katalysators in der Reaktionssuspension in einem Bereich von 50:1 bis 2000:1, weiter bevorzugt von 100:1 bis 1000:1, weiter bevorzugt von 200:1 bis 600:1, weiter bevorzugt von 300:1 bis 500:1.The ratio of the mole fraction of the diisocyanate component to the mole fraction of the catalyst in the reaction suspension is preferably in a range from 50: 1 to 2000: 1, more preferably from 100: 1 to 1000: 1, more preferably from 200: 1 to 600: 1 , more preferably from 300: 1 to 500: 1.
Bevorzugt ist die Diisocyanat-Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hexamethylendiisocyanat (HDI), Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Toluol-2,4-diisocyanat (TDI) und Mischungen aus zwei oder mehr davon. Weiter bevorzugt ist die Diisocyanat-Komponente Hexamethylendiisocyanat.The diisocyanate component is preferably selected from the group consisting of hexamethylene diisocyanate (HDI), diphenylmethane diisocyanate (MDI), toluene-2,4-diisocyanate (TDI) and mixtures of two or more thereof. The diisocyanate component hexamethylene diisocyanate is also preferred.
Das Verhältnis des Stoffmengenanteils der Diisocyanat-Komponente zum Stoffmengenanteil der Lignin-basierten OH-Gruppen in der Reaktionssuspension beträgt weniger als 1. Bevorzugt liegt das Verhältnis des Stoffmengenanteils der Diisocyanat-Komponente zum Stoffmengenanteil der Lignin-basierten OH-Gruppen in der Reaktionssuspension in einem Bereich von 0,1 bis 0,99, weiter bevorzugt von 0,2 bis 0,95, weiter bevorzugt von 0,5 bis 0,9, weiter bevorzugt von 0,8 bis 0,85. Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Diisocyanat-Komponente im stöchiometrischen Unterschuss eingesetzt werden kann. Dies ist extrem ressourcensparend. Bevorzugt wird nur die Oberfläche der Lignin-Partikel modifiziert, woraus sich ein vorteilhafter geringer Masseanteil an Isocyanat und ein hoher Anteil an Lignin ergibt. Dies wird dadurch unterstützt, dass keine Lignin-Lösung, sondern eine Lignin-Suspension mit Lignin-Partikeln verwendet wird.The ratio of the mole fraction of the diisocyanate component to the mole fraction of the lignin-based OH groups in the reaction suspension is less than 1. The ratio of the mole fraction of the diisocyanate component to the mole fraction of the lignin-based OH groups in the reaction suspension is preferably in a range from 0.1 to 0.99, more preferably from 0.2 to 0.95, more preferably from 0.5 to 0.9, more preferably from 0.8 to 0.85. It is a particular advantage of the present invention that the diisocyanate component can be used in a stoichiometric deficit. This is extremely resource-saving. Only the surface of the lignin particles is preferably modified, which results in an advantageous low mass fraction of isocyanate and a high fraction of lignin. This is supported by the fact that a lignin suspension with lignin particles is used instead of a lignin solution.
Bevorzugt wird die Reaktionssuspension erhalten, indem zunächst der Katalysator und erst im Anschluss die Diisocyanat-Komponente zur Lignin-Suspension zugegeben wird. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Diisocyanat-Komponente mittels Tropftrichter. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Diisocyanat-Komponente unter Rühren. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Diisocyanat-Komponente bei Temperaturen in einem Bereich von 15°C bis 30°C, weiter bevorzugt von 20°C bis 25°C, insbesondere bei Raumtemperatur.The reaction suspension is preferably obtained by first adding the catalyst and only then adding the diisocyanate component to the lignin suspension. The diisocyanate component is preferably added using a dropping funnel. The diisocyanate component is preferably added with stirring. The diisocyanate component is preferably added at temperatures in a range from 15 ° C. to 30 ° C., more preferably from 20 ° C. to 25 ° C., in particular at room temperature.
Gemäß Schritt c) wird die Reaktionssuspension für einen Zeitraum von mindestens 10 Minuten bei einer Temperatur von mindestens 50°C gehalten. Bevorzugt erfolgt Schritt c) unter Rühren der Reaktionssuspension. Schritt c) fördert die Herstellung von chemisch modifiziertem Lignin in der Reaktionssuspension. Bevorzugt wird die Reaktionssuspension für einen Zeitraum von 20 Minuten bis 360 Minuten, weiter bevorzugt von 30 Minuten bis 300 Minuten, weiter bevorzugt von 60 Minuten bis 240 Minuten, weiter bevorzugt von 90 Minuten bis 180 Minuten bei einer Temperatur in einem Bereich von 60°C bis 105°C, weiter bevorzugt von 70°C bis 100°C, weiter bevorzugt von 80°C bis 95°C gehalten.According to step c), the reaction suspension is kept at a temperature of at least 50 ° C. for a period of at least 10 minutes. Step c) is preferably carried out with stirring of the reaction suspension. Step c) promotes the production of chemically modified lignin in the reaction suspension. The reaction suspension is preferred for a period of time from 20 minutes to 360 minutes, more preferably from 30 minutes to 300 minutes, more preferably from 60 minutes to 240 minutes, more preferably from 90 minutes to 180 minutes at a temperature in a range of 60.degree to 105 ° C, more preferably from 70 ° C to 100 ° C, more preferably from 80 ° C to 95 ° C.
Gemäß Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das chemisch modifizierte Lignin aus der Reaktionssuspension isoliert. Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass das chemisch modifizierte Lignin als Feststoff in suspendierter Form vorliegt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Isolierung des chemisch modifizierten Lignins aus der Reaktionssuspension. Bevorzugt wird das chemisch modifizierte Lignin durch Zentrifugieren und/oder Filtrieren aus der Reaktionssuspension isoliert. Zentrifugieren ist besonders bevorzugt.According to step d) of the method according to the invention, the chemically modified lignin is isolated from the reaction suspension. It is a particular advantage of the method according to the invention that the chemically modified lignin is present as a solid in suspended form. This enables a particularly simple isolation of the chemically modified lignin from the reaction suspension. The chemically modified lignin is preferably isolated from the reaction suspension by centrifugation and / or filtration. Centrifugation is particularly preferred.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Ausbeute aus. Dies ist vermutlich zumindest zum Teil darauf zurückzuführen, dass anders als beim Stand der Technik kein Ausfällen des Produkts aus einer Lösung erforderlich ist, so dass auch kein Produkt in einer Lösemittelphase verbleibt. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Masse des in Schritt d) isolierten, chemisch modifizierten Lignins zur Masse des Lignins in der gemäß Schritt a) bereitgestellten Lignin-Suspension mindestens 0,8, weiter bevorzugt mindestens 0,85, weiter bevorzugt mindestens 0,9, weiter bevorzugt mindestens 0,95, weiter bevorzugt mindestens 1,0, weiter bevorzugt mindestens 1,05. Dass das Masseverhältnis größer als 1,0 sein kann, ergibt sich daraus, dass das chemisch modifizierte Lignin aufgrund der chemischen Modifikation im Vergleich zum Lignin in der gemäß Schritt a) bereitgestellten Lignin-Suspension ein größeres Molekulargewicht aufweist.The process according to the invention is distinguished by a high yield. This is presumably at least partly due to the fact that, unlike in the prior art, no precipitation of the product from a solution is required, so that no product remains in a solvent phase. The ratio of the mass of the chemically modified lignin isolated in step d) to the mass of the lignin in the lignin suspension provided according to step a) is preferably at least 0.8, more preferably at least 0.85, more preferably at least 0.9 preferably at least 0.95, more preferably at least 1.0, more preferably at least 1.05. The fact that the mass ratio can be greater than 1.0 results from the fact that the chemically modified lignin has a greater molecular weight than the lignin in the lignin suspension provided according to step a) due to the chemical modification.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional den weiteren Schritt e) des Waschens des gemäß Schritt d) isolierten Lignins enthalten. Schritt e) kann einen oder mehrere Waschschritte umfassen. Bevorzugt werden mindestens zwei Waschschritte, weiter bevorzugt mindestens drei Waschschritte, weiter bevorzugt mindestens vier Waschschritte durchgeführt. Jeder Waschschritt umfasst bevorzugt die Schritte der Zugabe von Waschflüssigkeit zum chemisch modifizierten Lignin zum Erhalt einer Waschsuspension und des Isolierens des Lignins aus der Waschsuspension. Bevorzugt wird das chemisch modifizierte Lignin durch Zentrifugieren und/oder Filtrieren aus der Waschsuspension isoliert. Zentrifugieren ist besonders bevorzugt. In verschiedenen Waschschritten kann verschiedene Waschflüssigkeit eingesetzt werden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird zweimal mit Toluol und zweimal mit Diethylether gewaschen, insbesondere zuerst mit Toluol und anschließend mit Diethylether. The method according to the invention can optionally contain the further step e) of washing the lignin isolated according to step d). Step e) can comprise one or more washing steps. At least two washing steps, more preferably at least three washing steps, more preferably at least four washing steps are preferably carried out. Each washing step preferably comprises the steps of adding washing liquid to the chemically modified lignin to obtain a washing suspension and isolating the lignin from the washing suspension. The chemically modified lignin is preferably isolated from the washing suspension by centrifugation and / or filtration. Centrifugation is particularly preferred. Different washing liquids can be used in different washing steps. In particularly preferred embodiments, washing is carried out twice with toluene and twice with diethyl ether, in particular first with toluene and then with diethyl ether.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst optional den weiteren Schritt f) des Trocknens des isolierten Lignins. Schritt f) schließt sich bevorzugt an den Schritt d) des Isolierens des chemisch modifizierten Lignins aus der Reaktionssuspension und/oder an den Schritt e) des Waschens des isolierten Lignins an. Bevorzugt erfolgt der Trocknungsschritt f) bei Temperaturen in einem Bereich von 40°C bis 60°C, weiter bevorzugt von 45°C bis 55°C. Bevorzugt erfolgt das Trocknen gemäß Schritt f) im Vakuum, insbesondere bei einem Druck von weniger als 1 hPa, weiter bevorzugt weniger als 0,1 hPa. Bevorzugt erfolgt der Trocknungsschritt f) für einen Zeitraum von 2 bis 48 Stunden, weiter bevorzugt 5 bis 24 Stunden, weiter bevorzugt 10 bis 16 Stunden.The method according to the invention optionally comprises the further step f) of drying the isolated lignin. Step f) preferably follows step d) of isolating the chemically modified lignin from the reaction suspension and / or step e) of washing the isolated lignin. The drying step f) is preferably carried out at temperatures in a range from 40.degree. C. to 60.degree. C., more preferably from 45.degree. C. to 55.degree. The drying in step f) is preferably carried out in vacuo, in particular at a pressure of less than 1 hPa, more preferably less than 0.1 hPa. The drying step f) is preferably carried out for a period of 2 to 48 hours, more preferably 5 to 24 hours Hours, more preferably 10 to 16 hours.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch chemisch modifiziertes Lignin, insbesondere solches erhältlich oder erhalten nach dem Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das chemisch modifizierte Lignin Isocyanatgruppen (-NCO) in einem Anteil von 0,1 mmol/g bis 5 mmol/g, weiter bevorzugt von 0,2 bis 2 mmol/g, weiter bevorzugt von 0,5 bis 1 mmol/g enthält. Bevorzugt liegt das chemisch modifizierte Lignin als Lignin-Partikel vor. Bevorzugt ist nur die Oberfläche der Lignin-Partikel modifiziert, woraus sich ein vorteilhafter geringer Anteil an Isocyanat ergibt.The present invention also relates to chemically modified lignin, in particular such obtainable or obtained by the method according to at least one of the preceding claims, the chemically modified lignin isocyanate groups (-NCO) in a proportion of 0.1 mmol / g to 5 mmol / g, more preferably from 0.2 to 2 mmol / g, more preferably from 0.5 to 1 mmol / g. The chemically modified lignin is preferably present as lignin particles. Only the surface of the lignin particles is preferably modified, which results in an advantageously low proportion of isocyanate.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers umfassend die folgenden Schritte:
- i) Optionales Mischen des chemisch modifizierten Lignins der Erfindung mit einer Faserkomponente,
- ii) Pressen des chemisch modifizierten Lignins der Erfindung oder der Mischung aus Schritt i) bei einer Temperatur von mindestens 90°C und einem Druck von mindestens 50 bar zum Erhalt des Formkörpers.
- i) Optionally mixing the chemically modified lignin of the invention with a fiber component,
- ii) pressing the chemically modified lignin of the invention or the mixture from step i) at a temperature of at least 90 ° C. and a pressure of at least 50 bar to obtain the shaped body.
Bevorzugt erfolgt das Pressen bei einer Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 200°C, weiter bevorzugt 125°C bis 175°C, weiter bevorzugt 130°C bis 150°C. Bevorzugt erfolgt das Pressen bei einem Druck in einem Bereich von 100 bar bis 500 bar, weiter bevorzugt 150 bar bis 400 bar, weiter bevorzugt 200 bar bis 375 bar. Bevorzugt erfolgt das Pressen für einen Zeitraum von 1 bis 20 Minuten, weiter bevorzugt 2 bis 15 Minuten, weiter bevorzugt 5 bis 10 Minuten. Das Pressen erfolgt bevorzugt in einer Form, insbesondere in einer Metallform.The pressing is preferably carried out at a temperature in a range from 100 ° C to 200 ° C, more preferably 125 ° C to 175 ° C, more preferably 130 ° C to 150 ° C. The pressing is preferably carried out at a pressure in a range from 100 bar to 500 bar, more preferably 150 bar to 400 bar, more preferably 200 bar to 375 bar. The pressing is preferably carried out for a period of 1 to 20 minutes, more preferably 2 to 15 minutes, more preferably 5 to 10 minutes. The pressing is preferably carried out in a mold, in particular in a metal mold.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung können Formkörper durch Pressen des chemisch modifizierten Lignins der Erfindung erhalten werden. Optional kann das chemisch modifizierte Lignin der Erfindung vor dem Pressen mit einer Faserkomponente gemischt werden. Die Faserkomponente ist bevorzugt eine Naturfaser. Besonders bevorzugt ist die Faserkomponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Holzfasern, Holzspänen, Holzmehl, Zellstoff-Fasern, Cellulosefasern und Mischungen aus zwei oder mehr davon. Insbesondere durch das Zumischen der Faserkomponente zum chemisch modifizierten Lignin können die mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften der erhaltenen Formkörper beeinflusst werden.According to the method of the invention, molded articles can be obtained by pressing the chemically modified lignin of the invention. Optionally, the chemically modified lignin of the invention can be mixed with a fiber component prior to pressing. The fiber component is preferably a natural fiber. The fiber component is particularly preferably selected from the group consisting of wood fibers, wood chips, wood flour, cellulose fibers, cellulose fibers and mixtures of two or more thereof. In particular by adding the fiber component to the chemically modified lignin, the mechanical and / or chemical properties of the molded bodies obtained can be influenced.
Vor dem Pressen liegen das chemisch modifizierte Lignin oder die gemäß Schritt i) erhaltene Mischung bevorzugt in Form eines Pulvers vor.Before pressing, the chemically modified lignin or the mixture obtained according to step i) is preferably in the form of a powder.
Die gemäß Schritt i) erhaltene Mischung enthält bevorzugt chemisch modifiziertes Lignin in einem Anteil von 30 bis 60 Gew.-%, weiter bevorzugt 40 bis 50 Gew.-%, sowie die Faserkomponente in einem Anteil von 30 bis 70 Gew.-%, weiter bevorzugt 40 bis 60 Gew.-%. Optional kann eine Isocyanat-Komponente in einem Anteil von 0 bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt 5 bis 15 Gew.-% vorhanden sein. Besonders bevorzugt sind beispielsweise Mischungen aus 50 Gew.-% Lignin und 50 Gew.-% Faserkomponente oder Mischungen aus 50 Gew.-% Faserkomponente, 40 Gew.-% Lignin und 10 Gew.-% Isocyanat-Komponente. In besonders bevorzugten Ausführungsformen besteht die gemäß Schritt i) erhaltene Mischung aus dem chemisch modifizierten Lignin der Erfindung und der Faserkomponente.The mixture obtained according to step i) preferably contains chemically modified lignin in a proportion of 30 to 60% by weight, more preferably 40 to 50% by weight, and the fiber component in a proportion of 30 to 70% by weight preferably 40 to 60% by weight. An isocyanate component can optionally be present in a proportion of 0 to 20% by weight, more preferably 5 to 15% by weight. Mixtures of 50 wt.% Lignin and 50 wt.% Fiber component or mixtures of 50 wt.% Fiber component, 40 wt.% Lignin and 10 wt.% Isocyanate component are particularly preferred. In particularly preferred embodiments, the mixture obtained according to step i) consists of the chemically modified lignin of the invention and the fiber component.
Bevorzugt liegt das Verhältnis des Gewichtsanteils der Faserkomponente zum Gewichtsanteil des chemisch modifizierten Lignins in der Mischung in einem Bereich von 0,2 bis 10, weiter bevorzugt von 0,5 bis 5, weiter bevorzugt von 1 bis 3. Bevorzugt liegt der Anteil an chemisch modifiziertem Lignin in der Mischung in einem Bereich von 5 bis 90 Gew.-%, weiter bevorzugt weiter bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, weiter bevorzugt 20 bis 70 Gew.-%, weiter bevorzugt 30 bis 60 Gew.-%, weiter bevorzugt 40 bis 50 Gew.-%. The ratio of the proportion by weight of the fiber component to the proportion by weight of the chemically modified lignin in the mixture is preferably in a range from 0.2 to 10, more preferably from 0.5 to 5, more preferably from 1 to 3. The proportion of chemically modified lignin is preferred Lignin in the mixture in a range from 5 to 90% by weight, more preferably more preferably 10 to 80% by weight, more preferably 20 to 70% by weight, more preferably 30 to 60% by weight, more preferably 40 to 50% by weight.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Formkörper, der nach dem Verfahren der Erfindung erhältlich ist oder erhalten wird. Bevorzugt hat der Formköper eine Biegefestigkeit in einem Bereich von 10 MPa bis 100 MPa, weiter bevorzugt von 15 MPa bis 60 MPa, weiter bevorzugt von 20 MPa bis 50 MPa, weiter bevorzugt von 25 MPa bis 30 MPa. Bevorzugt wird die Biegefestigkeit gemäß
Bevorzugt weist der Formkörper der Erfindung eine geringe Quellbarkeit bei Wasserkontakt auf. Diese entspricht bevorzugt den Anforderungen gemäß
Bevorzugt ist der Formkörper frei von Formaldehyd, besonders bevorzugt frei von Formaldehyd und potentiell Formaldehyd-generierenden Verbindungen. Dadurch kann die Emission von Formaldehyd aus dem Formkörper vermieden werden, was aufgrund der Giftigkeit von Formaldehyd vorteilhaft ist.The shaped body is preferably free from formaldehyde, particularly preferably free from formaldehyde and potentially formaldehyde-generating compounds. In this way, the emission of formaldehyde from the molding can be avoided, which is advantageous because of the toxicity of formaldehyde.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Formkörpers der Erfindung, insbesondere bei der Herstellung von Fahrzeugen, Möbeln und/oder Bauwerken. Im Vergleich zu bekannten Formkörpern bringen die Formkörper der vorliegenden Erfindung, die unter Einsatz des erfindungsgemäßen chemisch modifizierten Lignins erhalten werden können, insbesondere für die genannten Verwendungen vielfältige Vorteile mit sich, wie beispielsweise eine verminderte Quellbarkeit bei Wasserkontakt, eine Vermeidung von Formaldehydemissionen sowie wirtschaftliche Vorteile durch Ersatz von Holzbestandteilen durch das kostengünstigere Lignin. Außerdem können eine niedrigere Brennbarkeit und eine bessere Stabilität gegenüber Mikroorganismen erzielt werden.The present invention also relates to the use of a molded body of the invention, in particular in the manufacture of vehicles, furniture and / or buildings. Compared to known moldings, the moldings of the present invention, which can be obtained using the chemically modified lignin according to the invention, have many advantages, especially for the uses mentioned, such as reduced swellability on contact with water, avoidance of formaldehyde emissions and economic advantages Replacement of wood components by the cheaper lignin. In addition, lower flammability and better stability against microorganisms can be achieved.
BeispieleExamples
Herstellung von chemisch modifiziertem LigninManufacture of chemically modified lignin
Es wurde eine Modifikation von Kraft-Lignin mit dem aliphatischen Diisocyanat HDI (Hexamethylendiisocyanat) nach folgendem Reaktionsschema durchgeführt:
Für die Durchführung der Modifikation des Lignins wurde der folgende Ansatz verwendet:
Die Reaktion wurde durchgeführt, wie im Folgenden beschrieben:The reaction was carried out as described below:
Getrocknetes DKL (Domtar Kraft-Lignin) wurde in getrocknetem Toluol (1000 ml) suspendiert. Das Toluol wurde getrocknet durch Evaporieren von ca. 5 % des Volumens. Nach Zugabe des Katalysators, wurde langsam HDI mittels Tropftrichter zugegeben. Es wurde bei Raumtemperatur gerührt bis alles an HDI zugegeben war. Danach wurde das Ölbad, in das der die Mischung enthaltende Glas-Rundkolben getaucht wurde, auf 90°C erwärmt. Sobald die Temperatur von 90°C erreicht war, wurde für 2 Stunden bei 90°C gerührt. Insgesamt ergab sich aus der Zugabe der Reaktanden, dem Aufheizen auf 90°C und dem Rühren bei 90°C eine Gesamtdauer von 3 Stunden, wie auch im obigen Reaktionsschema angegeben.Dried DKL (Domtar Kraft-Lignin) was suspended in dried toluene (1000 ml). The toluene was dried by evaporating about 5% of the volume. After adding the catalyst, HDI was slowly added using a dropping funnel. It was stirred at room temperature until all of the HDI had been added. Thereafter, the oil bath in which the glass round bottom flask containing the mixture was immersed was heated to 90 ° C. As soon as the temperature of 90 ° C. was reached, the mixture was stirred at 90 ° C. for 2 hours. Overall, the addition of the reactants, the heating to 90 ° C. and the stirring at 90 ° C. resulted in a total duration of 3 hours, as also indicated in the above reaction scheme.
Das als Feststoff vorliegende, chemisch modifizierte Lignin wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt. Im Anschluss wurde zweimal mit Toluol und zweimal mit Diethylether gewaschen. Danach wurde das chemisch modifizierte Lignin über Nacht bei 50°C im Vakuum getrocknet.The chemically modified lignin, which was present as a solid, was separated off by centrifugation. This was followed by washing twice with toluene and twice with diethyl ether. The chemically modified lignin was then dried overnight at 50 ° C. in a vacuum.
Die Ausbeute lag bei 272 g.The yield was 272 g.
Herstellung von FormkörpernProduction of moldings
- a) Formkörper aus Mischungen von Lignin und Fasern Das chemisch modifizierte Lignin aus Beispiel 1 wurde mit Naturfasern (Holzfasern (sogenannte Refinerfasern der Firma Egger), Holzmehl, Zellstoff-Fasern (Firma Rettenmeier)) im Gewichtsverhältnis 1:1 vermischt, in eine Metallform gefüllt und anschließend bei 150°C für 10 min bei 360 bar verpresst, so dass stabförmige Formkörper erhalten wurden. Die Formköper wurden mechanisch auf die Biegefestigkeit untersucht. Hierbei ergaben sich Biegefestigkeiten von bis zu 35 MPa für Zellstoff-Fasern und Biegefestigkeiten von bis zu 55 MPa für die Refinerfasern der Firma Egger.a) Moldings made from mixtures of lignin and fibers The chemically modified lignin from Example 1 was mixed with natural fibers (wood fibers (so-called refiner fibers from Egger), wood flour, cellulose fibers (Rettenmeier)) in a weight ratio of 1: 1, filled into a metal mold and then at 150 ° C. for 10 min pressed at 360 bar, so that rod-shaped moldings were obtained. The moldings were examined mechanically for flexural strength. This resulted in flexural strengths of up to 35 MPa for cellulose fibers and flexural strengths of up to 55 MPa for refiner fibers from Egger.
- b) Formkörper aus Mischungen von Lignin, Fasern und Isocyanat Es wurde eine Mischung bereitgestellt, die 50 Gew.-% Holzspäne, 40 Gew.-% chemisch modifiziertes Lignin aus Beispiel 1 sowie 10 Gew.-% Isocyanat enthielt. Aus der Mischung wurde ein Formkörper mit dem in Beispiel 2 beschriebenen Formpressverfahren hergestellt. Eine mechanische Analyse zeigte Biegefestigkeitswerte von rund 27 MPa, was im Bereich typischer mitteldichter Faserplatten (MDF) liegt.b) Moldings made from mixtures of lignin, fibers and isocyanate A mixture was provided which contained 50% by weight of wood chips, 40% by weight of chemically modified lignin from Example 1 and 10% by weight of isocyanate. A molding was produced from the mixture using the compression molding process described in Example 2. A mechanical analysis showed flexural strength values of around 27 MPa, which is in the range of typical medium-density fibreboard (MDF).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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