DE1768328A1 - Verfahren zum Hydrolysieren von Cellulosetriestern - Google Patents

Verfahren zum Hydrolysieren von Cellulosetriestern

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Description

EASTMM KODAK "COMPANY, 343 State Street, Rochester,
Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika
Verfahren zum Hydrolysieren von Cellulosetriestern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydrolysieren von Cellulosetriestern praktisch ohne Viskositätsverlust.
Es wurde gefunden, daß man zu technisch außerordentlich vorteilhaften Celluloseestern rait insbesondere vorteilhaften Löslichkeitseigenschaften z.B. in Toluol und infolgedessen besonderer Eignung zur Herstellung qualitativ hochwertiger .Lacke dann gelangt, wenn man Cellulosetriester bestimmter
Eigenschaften in bestimmter Weise hydrolysiert.
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung, bestehend aus:
(a) einem Cellulosetriester mit einem Hydroxylgruppengehalt von weniger als 0,25 % und einem Schwefelgehalt von höch-
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stens etwa 0,006 Gew.-I in Form von (gebundenen) Sulfatgruppen und
(b) einem praktisch keine Schwefelsäure enthaltenden, aus mindestens einer kurzkettigen Fettsäure und etwa 0,5 bis etwa 30 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeiten, bestehenden Lösungsmittelsystem
auf eine Temperatur von etwa 24 bis 149°C erhitzt.
Die Erhitzung erfolgt so lange, bis der Hydroxylgruppengehalt des Cellulosetriesters deutlich zugenommen hat, etwa auf 1 bis 3,2 I.
Die Säuregruppen der Cellulosetriester können beispielsweise aus Acetat-, Isobutyrat-, Butyrat-, Propionat-, Phthalat- und/oder Valeratgruppen bestehen, d.h. aus Säuregruppen der üblichen und bekannten Cellulosetriester.
Geeignete kurzkettige Fettsäuren zur Bereitung des Hydrolysebades sind beispielsweise Essig-, Propion-, Butter-, Isobutter- und Valeriansäure. Vorzugsweise wird Buttersäure verwendet.
Das Verfahren der Erfindung eignet sich ferner in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung neuer, in Toluol löslicher
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Cellulosebutyrate, die sich ganz besonders vorteilhaft zur Herstellung qualitativ hochwertiger Lacke eignen.
So lassen sich nach dem Verfahren der Erfindung beispielsweise in Toluol lösliche Cellulosebutyrate herstellen, die gekennzeichnet sind durch eine Intrinsic-Viskosität von etwa 0,05 bis etwa 1,8, einen Butyrylgruppengehalt von mindestens 51,5% (gegebenenfalls geringe Mengen an sonstigen Säuregruppen) und M einen Hydroxylgruppengehalt von etwa 1 bis 3,2 % bei einem Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen von höchstens etwa 1,5:1*
Ein besonders vorteilhaftes, nach dem Verfahren der Erfindung herstellbares Cellulosebutyrat ist ein solches, welches durch eine Intrinsic-Viskosität von etwa 0t\ bis etwa 1,2, einen Butyrylgruppengehalt von etwa 51,5 bis etwa 55,5 $, einen Schwefelgehalt von höchstens 0,006 % in Form von gebundenen Sulfatgruppen, einen Gehalt an Fettsäuregruppen mit 2 oder 3 \ Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise an Acetyl- und/oder Propionylgruppen von 0 bis etwa 1,5, vorzugsweise von unter 1 I, und einen Ilydroxylgruppengehalt von etwa 1,5 bis etwa 3 % bei einem Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen zwischen etwa 1,3 bis 1,0 und 0,5 bis 1,0 gekennzeichnet ist.
Das Verfahren der Erfindung soll am Beispiel der Hydrolyse von Oelluiosebutyraten..näher erläutert werden.
Die nach dem Verfahren der Erfindung erhältlichen neuen Cellulosebutyrate lassen sich beispielsweise dadurch herstellen, daß man eine von Schwefelsäure (und Fettsäureanhydriden) freie oder praktisch freie Ilischung, bestehend aus
a) Cellulosebutyrat mit einem Butyrylgruppengehalt von mindestens etwa 52 %, einem Acetyl- und/oder Propionylgruppengehalt von 0 bis höchstens 1, 5 S, einem Hydroxylgruppengehalt von höchstens etwa 0,25 % und einem Schwefelgehalt von höchstens 0,006 % in Form von gebundenen Sulfatgruppen und
b) einem vorzugsweise aus Buttersäure bestehenden Lösungsmittelsystem mit, bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeiten im Hydrolysebad, etwa 0,5 bis 30 % darin gelöstem Wasser
so lange auf eine Temperatur von etwa 24 bis etwa 1490C erhitzt, bis der Ilydroxylgruppengehalt des Cellulosebutyrats auf etwa 1 bis etwa 3,2 % gestiegen ist.
Zur Durchführung des Verfahrens wird somit als Ausgangsmaterial beispielsweise ein Cellulosebutyrat verwendet, das einen Butyrylgruppengehalt von mindestens 52 % aufweist. Ferner soll es so wenig wie praktisch möglich, jedoch höchstens 1,5 $, Acetyl- und/oder Propionylgruppen und höchstens 0,25 % Hydroxyl·
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gruppen enthalten. Schließlich soll das als Ausgangsmaterial verwendete Cellulosebutyrat praktisch keine gebundenen (kombinierten) Sulfatgruppen enthalten. Dies bedeutet, daß ein solches Cellulosebutyrat höchstens etwa 0,006 %, vorzugsweise höchstens etwa 0,003 ■ %', Schwefel in Form von gebundenen Sulfatgruppen enthalten soll. Die als Ausgangsmaterialien verwendeten Cellulosebutyrate können nach dem in der USA-Patentschrift 3 047 561 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Zur Hydrolyse xtferden die als Ausgangsmaterialien verwendeten Cellulosebutyrate in einer kurzkettigen Fettsäure, vorzugsweise in Buttersäure, die praktisch keine Fettsäureanhydride und ebenfalls praktisch keine gelösten Sulfationen enthält, gelöst. Die Säure kann jedoch bis zu etwa 30 Gew.-% Wasser enthalten. Der Wassergehalt des Hydrolysebades soll mindestens so hoch sein, daß sämtliche Anhydride in die entsprechenden Säuren überführt werden und daß dabei mindestens der sogenannte "Eis- oder Gefrierpunkt" (glacial point) erreicht wird. Zu Beginn der Hydrolyse sollten im Hydrolysebad über den "Eisoder Gefrierpunkt" hinaus vorzugsweise etwa 0,5 bis etwa 15 Gew.-I Wasser anwesend sein. Das im Hydrolysebad anwesende Wasser soll in der Buttersäure gelöst sein. Das Wasser kann dem Hydrolysebad heiß oder kalt oder auch als Dampf zu Beginn und/oder während der Hydrolyse einverleibt werden.
Die Hydrolyse beginnt, wenn die Lösung des Cellulosebutyrats einerseits und des Wassers andererseits in der Buttersäure
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eine Temperatur von 23,90C oder darüber erreicht hat und kann praktisch bei jeder, über der angegebenen Temperatur liegenden Temperatur durchgeführt werden. Da jedoch bei Temperaturen über etwa 148,90C eine unerwünschte Verfärbung eintreten kann, stellt diese Temperatur in der Regel die oberste Temperaturgrenze für die Hydrolyse dar. Vorzugsxfeise erfolgt die Hydrolyse bei Temperaturen von etwa 37,8 bis etwa 121,10C. In der Regel läuft die Hydrolyse umso schneller ab, je höher die Hydrolysetemperatur ist. Die Hydrolyse ist beendet, wenn der prozentuale Hydroxylgruppengehalt so weit gestiegen ist, daß er in dem näher beschriebenen Bereich liegt.
Bei Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird ein Produkt erhalten, in dem das Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen beträchtlich niedriger ist als dies normalerweise zu erwarten gewesen wäre. So beträgt bei der Durchführung üblicher bekannter Hydrolyseverfahren das Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen im Endprodukt etwa 2:1, während bei Durchführung des Verfahrens der Erfindung CeIIulosebutyrate mit einem in dem angegebenen Bereich liegenden Hydroxylgruppengehalt entstehen, bei denen das Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen beträchtlich niedriger ist. So liegt das Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen bei den nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Cellulosebutyraten in der Regel zwischen 1,5:1 und 0,25:1,0 und vorzugsweise zwischen etwa 1,3:1 und etwa 0,5:1,0.
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_ 7■■_, 1?68328
Das Verfahren der Erfindung besitzt weiterhin den überraschenden und ausgesprochen wertvollen Vorteil, daß hierbei ein beträchtlicher Hydrolysegrad dem üblichen und zu erwartenden Abbau, der sich durch einen Verlust-'der Intrinsic-Viskosität zu erkennen gibt, unterliegt»
Dieser Vorteil ergibt sich aus der Zeichnung, aus welcher der Effekt eines bekannten üblichen Hydrolyseverfahrens einerseits und des Verfahrens der Erfindung andererseits auf die Intrinsic-Viskosität des sich bildenden Cellulosebutyrats zu entnehmen ist. In der Zeichnung ist jeweils die prozentual verbliebene Viskosität gegen den nach einer bestimmten Hydrolysezeit erhaltenen prozentualen Ilydroxylgruppengehalt aufgetragen. Bei beiden Verfahren wurde dasselbe Ausgangsmaterial mit einer Intrinsic-Viskosität von 1,1, einem Butyrylgruppengehalt von 55 % und einem Acetylgruppengehalt von 0,5 I verwendet. In der Zeichnung veranschaulicht die Kurve AC ein übliches Cellulosebutyrat-Hydrolyseverfahren in Anwesenheit von etwa 2 % "freiem" Wasser, während durch die Kurve AB der Verlauf eines CeIlulosebutyrat-Hydrolyseverfahrens nach der Erfindung, wie es in Beispiel 1 näher erläutert wird, wiedergegeben wird.
Die erfindungsgemäß herstellbaren Ester lassen sich, wie bereits dargelegt, gegebenenfalls gemeinsam mit Harzen und/oder
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Plastifizierungsmitteln, in hervorragender Weise zur Herstellung von Lacken verwenden. Die erhaltenen Lacke können mit ausgezeichneten Ergebnissen auf die verschiedensten Substrate, wie beispielsweise Sperrholzplatten, Möbel, Automobilkarosserien oder Aluminium für Bauzwecke, nach den verschiedensten üblichen Verfahren, wie beispielsweise durch Aufbürsten oder Aufsprühen, aufgetragen werden.
Die unter Verwendung von nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Lacke bestehen aus einem sog. filmbildenden Anteil und einem Lösungsmittelanteil. Der filmbildende Anteil besteht in der Regel zu 60 bis 100 Gew.-* aus einem oder mehreren Filmbildnern und zu 0 bis 40 Gexv.-?« aus einem Plastifizierungsmittel, wobei mindestens etwa 30 Gew.-% des Filmbildners aus einem oder einer Mischung aus mehreren nach dem Verfahren der Erfindung erhältlichen Estern bestehen. Der Rest des filmbildenden Anteils kann aus üblichen bekannten Harzen, welche sowohl in Toluol (und dem "Lösungsmittelanteil") löslich als auch mit dem Ester verträglich sind.
Der "Lösungsmittelanteil" der Lacke besteht zu mindestens etwa 50 Gew.-I aus Toluol, vorzugsweise ganz oder mindestens zu 75 Gew.-I aus Toluol, Lösungsmittel, die gemeinsam mit dem Toluol den Lösungsmittelanteil bilden können, sind beispielsweise nethylenchlorid, Styrol, Aceton, Isobutylacetat, übliche, hauptsächlich aus Äthanol bestehende Lösungsmittel, Mischungen von Xylol mit Isopropanol, Butanol und dgl. sowi-e Mischungen der genannten Lösungsmittel untereinander.
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Die folgenden Beispiele sollen das Verfahren der Erfindung näher veranschaulichen. Soweit nicht anders angegeben, sind unter "Teilen" "Gewichtsteile" zu verstehen.
Beispiel 1
a) Herstellung des Ausgangs-Cellulosebutyrats In eine übliche, ummantelte, mit einem Sigmablattrührer ausgerüstete und aus rostfreiem Stahl bestehende Mischvorrich- m tung wurden 15 Gew.-Teile Baumwoll-Linters und 14 Gew.-Teile Buttersäure eingebracht. Unter Rühren der erhaltenen Mischung wurden insgesamt 67 Gew.-Teile Buttersäureanhydrid zugegeben. Die erhaltene Reaktionsmischung wurde hierauf auf 4,40C abgekühlt und anschließend mit einer Mischung aus 0,3 Gew.-Teilen Schwefelsäure und 0,7 Gew.-Teilen Buttersäure versetzt.
Die Temperatur der erhaltenen Veresterungsmischung wurde hierauf schrittweise innerhalb von 15 Stunden auf etwa 29,40C erhöht. Anschließend wurde in die klare, viskose und ver- \ esterte Mischung eine Aufschlämmung von 0,5 Gew.-Teilen Magnesiumcarbonat in 4 Gew.-Teilen Buttersäure eingemischt.
Die Temperatur der erhaltenen Mischung vrurde hierauf rasch auf etwa 121,1°C erhöht, worauf der Ester 4 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten wurde. Zu diesem Zeitpunkt besaß das Cellulosebutyrat einen Hydroxylgruppengehalt von lediglich 0,07 I, einen, als Sulfat berechneten--Schwefel-■
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gehalt von lediglich etwa 0,003 % und einen Butyrylgruppengehalt von 55,5 I.
Im Anschluß an das 4-stündige Erhitzen wurde die Lösung auf etwa 65,60C abgekühlt. 9 Gew.-Teile dieser Lösung wurden hierauf mit 30 Gew.-Teilen Eisessig und anschließend mit weiteren 30 Gew.-Teilen einer 80-%igen i/ässrigen Essigsäure verdünnt. Die erhaltene Mischung wurde filtriert und schließlieh unter Rühren in 150 Gew.-Teile einer 25-%igen wässrigen Essigsäure eingemischt, wobei das Cellulosetributyrat aus der Lösung ausfiel.
Der Niederschlag wurde abtropfen gelassen und mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen. Das erhaltene Cellulosetributyrat wurde hierauf 1 Stunde lang in destilliertem Wasser, in welchem pro Gew.-Teil Cellulosebutyrat 0,002 Gew.-Teile Oxalsäure enthalten waren, aufgekocht. Schließlich wurde das Cellulosetributyrat aus dem Wasser herausgenommen, abtropfen gelassen und 5 mal mit Wasser gewaschen, bis praktisch keine freien, d.h. nicht gebundenen Säuren mehr i> Waschwasser nachgewiesen werden konnten. Das erhaltene Rohmaterial für die Hydrolyse besaß einen Butyrylgruppengehalt von 55 I1 einen Acetylgruppengehalt von 0,5 % und einen Hydroxylgruppengehalt von 0,7 %.
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b) Hydrolyse
Zum Rest der 65,60C warmen Lösung wurde innerhalb von 30 .Minuten eine Mischung aus 9,2 Gew.-Teilen destilliertem Wasser und 10,3 Gew.-Teilen Buttersäure zugegeben. Die erhaltene Mischung wurde hierauf auf 104,40C C<*.h. Rückflußtemperatur) erhitzt und etwa 60 Stunden lang auf Rückflußtemperatur gehalten» Dabei wurden nach 8, 16, 24, 48 und 60 Stunden Proben entnommen und in der beschriebenen Weise verdünnt, gefällt und weiterbehandelt.
In der folgenden Tabelle I sind die Löslichkeitseigenschaften und die Viskositätswerte der einzelnen Proben angegeben. Nach 36-stündigem Erhitzen auf Rückflußtemperatur lag das Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen in dem Cellulojsetributyrat bei 1:1,
- 12 ■-■
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Tabelle 1
Hydrolyse- Intrinsic-+ prozentua- % Löslichkeit zeit in Std. Viscosität ler Hydroxyl- Asche im Toluol ++
gruppengehalt
0 1.1 0,07
8 1,18 0,85
16 1,23 1.7
24 1,25 2,2
36 1,26 2,9
48 1,26 3,3
60 1,26 3,5
0,01 unlöslich 0,02 fast löslich 0,02 löslich 0,014 löslich 0,015 löslich 0,016 fast löslich 0,008 unlöslich
gemessen in einer Mischung aus 9 Teilen .'lethylenchlorid und 1 Teil Methanol;"
bestimmt durch Zugabe von 20 Gew.-* Celluloseester zu 80 Gew.-t Toluol.
c) Herstellung eines Lackes
Aus dem nach 36-stündigem Erhitzen auf Jlückflußtemperatur abgezogenen Cellulosetributyrat wurde in der im" folgenden beschriebenen Weise ein Lack hergestellt.
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9 Gew.-Teile des 36 Stunden lang hydrolysieren Cellulosebutyrats mit einen Butyrylgruppengehalt von 52,4 $, einem Acetylgruppengehalt von 0 %, einem Ilydroxylgruppengehalt von 2,9 %t bei einem Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen von 1:1 und einem Schwefelgehalt in Form von gebundenen Sulfatgruppen von lediglich 0,003 I sowie einer Intrinsic-Viskosität von etwa 1,26 wurden mit 13 Gew.-Teilen einer 60-%igen Lösung eines butylierten Harnstoff-Formaldehydharzes in einer Mischung von Butanol und Xylol im Verhältnis 60 : 40, 80 Gew.-Teilen Toluol und 2 Gew.-Teilen Dioctylphthalat-Plastifizierungsmittel so lange vermischt, bis eine klare Lösung erhalten wurde.
Die Tatsache, daß hierbei eine klare Lösung erhalten wurde, war überraschend, da bisher solche vollständig in Toluol löslichen Cellulosebutyrate trotz des dringenden Bedarfes und langjähriger Versuche nicht für herstellbar gehalten wurden.
Der in der beschriebenen Weise hergestellte Lack wurde in 3 Schichten auf Birken- und Föhrensperrholz aufgetragen, wobei die jeweils aufgetragene Schicht vor dem nächsten Auftragen 24 Stunden lang bei Raumtemperatur getrocknet wurde. Die getrocknete Lackschicht klebte nicht mehr, war klar, glänzend und haftete gut auf dem Holz. Die Lackschicht war sowohl bei Raumtemperatur als auch gegenüber siedendem Wasser, Whisky und Aceton widerstandsfähig.
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Zur Herstellung von Lacken kann ein einziger oder können mehrere verschiedene Ester verwendet werden. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, die verschiedensten, mit dem Celluloseester und dem Lösungsmittelsystem verträglichen Modifizierungsmittel mitzuverwenden. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn Quervernetzer, z.B. alkylierte Harnstoffe oder Melaminformaldehydharze, deren Alkylreste 1-10 Kohlenstoffatome enthalten, Hexamethoxymethylmelamin, Alkyltitanate, deren Alkylreste 1-18 Kohlenstoffatome enthalten, organische Isocyanate, wie beispielsweise Toluol-2,4-di-isocyanat oder Polyisocyanate, zugesetzt werden. Zur Bereitung des "filmbildenden Anteiles" der Lacke nach der Erfindung können alle Harze mitverwendet werden, solange sie nur mit den Celluloseestern verträglich sind. Solche Harze sind beispielsweise oxydierte Alkydharze, öllösliche Phenolharze, Polyvinylacetate, Polyvinylacetat, Polyvinylbutale, Polyvinylchloride, Polyvinylchlorid-Acetate, Toluolsulfonamid-Foriaaldehydharze, Acryl säureharze, flüssige Epoxydharze, chlorierte Diphenylharze, Kolophonium und seine Derivate sowie Polydimethylsiloxane.
Der filmbildende Anteiljvon Lacken, die unter Verwendung eines oder mehrerer nach dem Verfahren der Erfindung hergestellter Ester erhalten wurden, kann, bezogen auf die Gesamtmenge der filmbildenden Bestandteile, bis zu 40, vorzugsweise 5 - 25 %t eines oder mehrerer geeigneter Plastifizierungsmittel enthalten.
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Selbstverständlich können in solchen Lacken noch übliche Modifizierungsmittel und Zusätze, wie beispielsweise Pigmente, Farbstoffe, UV-Absorptionsmittel, Antioxydantien, Fungizide und Katalysatoren, zum Vernetzen des Celluloseesters mit den gegebenenfalls im Lack vorhandenen Quervernetzern enthalten sein.
Die günstigen Eigenschaften, die auf das spezielle Verhältnis von primären zu sekundären Hydroxylgruppen und auf die Beibehaltung der Intrinsic-Viskosität zurückzuführen sind, sind, wie bereits dargelegt, nicht nur auf die Verwendung von Butyraten beschränkt. Gleich gute Ergebnisse lassen sich vielmehr auch bei der Hydrolyse anderer Cellulosetriester mit dem beschriebenen niedrigen Hydroxyl- und Sulfatgruppengehalt erzielen, wenn sich diese in den beschriebenen wässrigen, aus kurzkettigen Fettsäuren bestehenden Hydrolysebädern bei den angegebenen Temperaturen lösen lassen. Die Säuregruppen solcher Cellulosetriester können beispielsweise Acetat-, Isobutyrat-, Propionat-, Phthalat- und/oder Valeratgruppen sein.
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Claims (4)

Patentansprüche
1) Verfahren zum Hydrolysieren von Cellulosetriestern praktisch ohne Viskositätsverlust, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung, bestehend aus:
a) einem Cellulosetriester mit einem Hydroxylgruppengehalt von weniger als etwa 0,25 % und einem Schwefelgehalt von höchstens etwa 0,006 I in Form von Sulfatgruppen und
b) einem praktisch keine Schwefelsäure enthaltenden, aus mindestens einer kurzkettigen Fettsäure und etwa 0,5 bis etwa 30 Gew.-I Wasser, bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeiten, bestehenden Lösungsmittelsystem auf eine Temperatur von etwa 24 bis etwa 1490C erhitzt.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung auf eine Temperatur von etwa 37,8 bis etwa 121,1 0C erhitzt.
3) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Cellulosetriester ausgeht, dessen Säuregruppen aus Acetat-, Butyrat-, Isobutyrat-, Propionat-, Phthalat- und/oder Valeratgruppen bestehen.
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4) Verfahren zur Hydrolyse eines Cellulosebutyrats nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine von Schwefelsäure freie oder zumindest praktisch freie Mischung, bestehend aus
a) Cellulosebutyrat mit einem Butyrylgruppengehalt von mindestens etwa 52 I, einem AcetylgruppengehaIt von 0 bis 1,5 I, einem Hydroxylgruppengehalt von höchstens etwa 0,25 i und einem Schwefelgehalt von höchstens 0,006 I in Form von gebundenen SuIfatgruppen und
b) einem aus einer kurzkettigen Fettsäure, vorzugsweise aus Buttersäure, bestehenden Lösungsmittelsystem mit, bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeiten im Hydrolyseband, höchstens etwa 30 I darin *elöstem Wasser
so lange auf eine Temperatur von etwa 23,9 bis etwa 148,90C erhitzt, bis der Hydroxylgruppengehalt des Cellulosebutyrats auf etwa 1 bis etwa 3,2 I gestiegen ist.
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