DE2326935B2 - Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mit blockierten Hydroxylgruppen und diese Addukte enthaltende Farbstoffmasse - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mit blockierten Hydroxylgruppen und diese Addukte enthaltende Farbstoffmasse

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Description

20
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mil blockierten Hydroxylgruppen durch Umsetzung des Lignins bei einer Temperatur zwischen 0 und 200° C mit chlorhaltigen Blockierungsmitteln in Wasser oder alkalischer Lösung und eine diese Addukte enthaltende Farbstoffmasse.
Lignin- und sulfoniert Ligninmaterialien, welche aus Waldprodukten stammen, haben weit verbreitete Anwendung als oberflächenaktive Mittel gefunden, insbesondere als Dispergiermittel und Koaguliermittel. jo In der einen oder anderen Form werden Ligninmaterialien auch als Bohrschlammzusätze, Asphaltemulgatoren, Harzstreckmittel und Farbstoffdispergiermittel verwendet.
Zur Modifizierung von Ligninen stehen zahlreiche Reagentien zur Verfügung, um bestimmte Eigenschaften, z. B. das Dispergiervermögen, zu verbessern oder um eine Eigenschaft zu unterdrücken, die für bestimmte Verwendungen unerwünscht ist, z. B. die unerwünschte dunkle Farbe von Lignin. Verfahren zur Modifizierung von Ligninen sind in den folgenden Patentschriften beschrieben: Die US-PS 36 00308 beschreibt die Umsetzung von Lignin mit einer Vielzahl von chemischen Agentien, um das Molekulargewicht für die Verwendung al? Koaguliermittel zu erhöhen; die US-PS 35 46 199 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polyoien aus Lignin; die US-PS 28 54 444 beschreibt ein Verfahren zur Oxyalkylierung von Ligninsulfonsäure zwecks Verwendung als Benetzungsmittel und Dispergierungsmittel. Die genannte Literatur soll den Stand der Technik zeigen; es ist nicht beabsichtigt gewesen, sämtliche Ligninmodifizieirungen einzubeziehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von neuen Lignin-Addukten mit besonderer Brauchbarkeit als Dispergiermittel für Dispersions- und Küpenfarbstoffe, als Bindemittelzusätze, als Metallkomplexbildner und allgemein als Dispergiermittel zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mit blockierten Hydroxylgruppen durch Umsetzung des Lignins bei einer Temperatur zwischen 0 und 200° C mit chlorhaltigen Blockierungsmitteln in Wasser oder alkalischer Lösung aus und schlägt vor, daß man bis zu 20 Mol Chlormethansulfonat, Chlormethanphosphonat, 3-Chlor-2-hydroxypropanphosphonat oder l-Chlor-2-hydroxyäthanphosphonat mit je 1000 g Lignin umsetzt
Vorzugsweise werden 2 bis 10 Mol von einem der genannten Blockierungsmittel mit je 1000 g Lignin umgesetzt.
Die nach der Erfindung erhaltenen Lignin-Addukte mit blockierten Hydroxylgruppen sind, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, als oberflächenaktive Mittel und insbesondere als Dispergiermittel in Farbstoffmassen brauchbar.
Die zur Herstellung der Addukte nach dem Verfahren der Erfindung verwendeten Lignine umfassen Alkalilignine aus dem Kraftpulpverfahren sowie Lignine, die aus anderen alkalischen Verfahren, wie den Soda- oder modifizierten Sodaverfahren, stammen, sulfonierte Lignine, wie Sulfitlignine aus sauren und neutralen Verfahren, und sulfonierte Alkalilignine.
Mit dem Begriff »sulfoniertes Lignin« ist jedes Lignin gemeint, welches mindestens eine wirksame Menge an Sulfonatgruppen enthält, um das Lignin in Wasser unter neutralen oder sauren Bedingungen löslich zu machen. Ein sulfoniertes Lignin kann bis zur Hälfte andere Materialien, wie Kohlenhydrate, Phenole und andere organische und anorganische Verbindungen, enthalten. Die Anwesenheit dieser anderen Materialien führt zu einem größeren Verbrauch der zur Bildung des Adduktes verwendeten Reagentien; daher ist häufig eine gewisse Reinigung der Ligninausgangsmaterialien erwünscht. Die nichtsulfonierten Ligninmaterialien können durch verschiedene bekannte Verfahren entfernt werden. Da die chemische Struktur von Lignin variiert je nach seiner Quelle und Behandlung, soll der Begriff im folgenden verwendet werden, um sowohl Alkalilignin als auch sulfoniertes Lignin aus einer beliebigen Quelle vorzustellen. Der im Lignin vorliegende Sulfonierungsgrad ist kein regelnder Faktor bei der Herstellung des Adduktes, sondern kann benutzt werden, um das Addukt auf erwünschte Eigenschaften zuzuschneiden.
Wenn das Ausgangslignin ein sulfoniertes Lignin ist, beginnt das verbesserte Dispergiervermögen schon mit einer Spur Adduktbildung, es wird jedoch bevorzugt, mindestens 1 Mol Blockierungsmittel zuzugeben. Andererseits benötigen Addukte, welche mit Alkalilignin hergestellt werden, eine zusätzliche Blockierung, gewöhnlich mindestens 1 Mol Blockierungsmittel je 1000 g Lignin, um wasserlöslich zu werden. Die Reaktion des Lignins mit dem Blockierungsmittel in seiner Salzform kann beispielsweise wie folgt dargestellt werden, wo das Addukt mit 1 als einer ganzen Zahl von 0 bis 2 je nach der reaktiven Gruppe X gezeigt ist:
/\ OH~ C ; + X(CHR)„,(CH,)„YNa >
O + HX
(Ή ,O
Oll
CH1O
Die Umsetzung des Lignins mit einem der Reagentien dient hauptsächlich der Blockierung der sauren Hydroxylgruppen des Lignins. Je nach dem Lignin-Ausgangsmaterial, ob es eine Pulprückstandsflüssigkeit oder ein gereinigtes Produkt ist, kann der Gehalt des Lignins an phenolischen Hydroxylgruppen auf praktisch Null herabgesetzt werden. Die Adduktbildung dient zumindest bis zu einem gewissem Grade der Blockierung anderer ionisierbarer Hydroxylgruppen, wie Carboxyl- und aliphatischer Hydroxylgruppen. Es wurde gefunden, daß es durch die Blockierung der Hydroxylgruppen im Lignin mit einem der hier beschriebenen Mittel möglich ist, die dunkle rötlichbraune Farbe um 10% oder mehr zu reduzieren.
Die Dauer der Umsetzung zwischen Lignin und Blockierungsmittel hängt von der verwendeten Temperatur und dem gewünschten Blockierungsgrad ab. Das blockierte Lignin wird abkühlen gelassen und dann getrocknet. Ein Katalysator, wie Natriumhydroxid, kann gegebenenfalls verwendet werden, ist jedoch nicht notwendig.
Die Umsetzung zur Blockierung des phenolischen Hydroxyls des Lignins mit Chlormethansulfonat findet am besten bei Temperaturen zwischen 160-1800C statt. Bei tieferen Temperaturen nimmt der Umsetzungsgrad ab.
Die nach der Erfindung hergestellten Lignin-Addukte sind besonders brauchbar als Dispergiermittel für Dispersions- oder Küpenfarbstoffe entweder in trockener oder in flüssiger Form. Die blockierten sulfonierten Lignine können dem Farbstoffkuchen vor, während oder nach dem Mahlen zugegeben werden. Für die meisten Färbezwecke wird ein Addukt mit 3 bis 6 Molen Reagens je 1000 g Lignin-Ausgangsmaterial verwendet. Es wird allgemein bevorzugt, das Lignin-Addukt vor dem Mahlen zuzugeben, so daß es gründlich eingemischt wird und bei der Teilchengrößereduktion hilft. Die Menge der blockierten, sulfonierten Lignin-Dispergiermittel, die einem Farbstoff zugegeben werden, schwankt weit nach dem speziellen Farbstoffkuchen, dem zu färbenden Material und dem gewünschten Effekt. Mengen bis zu 75% des sulfonierten Lignins als Dispergiermittel, bezogen auf das Gewicht der getrockneten Dispersions- oder Küpenfarbstoffmasse, können verwendet werden. Der wichtigste Faktor bei der Ermittlung der richtigen Menge des Lignin-Adduktes, das bei Herstellung des Farbstoffs verwendet werden soll, ist der speziell verwendete Farbstoffkuchen. Im allgemeinen variiert diese Menge von Farbstoff zu Farbstoff.
Allgemein bestehen Farbstoffdispergiermittel aus zwei Haupttypen, deren einer sulfonierte Lignine aus der Holzpulpindustrie über das Sulfit- oder Kraftverfahren sind. Die Nachteile sulfonierter Lignine sind die Faseranfärbung, Reduktion von Diazofarbstoffen, dunkelbraune Farbe und eine Neigung, Schäume zu stabilisieren.
Eine Faseranfärbung durch das Lignin tritt hauptsächlich an cellulosischer! und stickstoffhaltigen Fasern, wie Baumwolle, Nylon und Wolle, auf; Polyesterfasern werden auch angefärbt, jedoch in einem geringeren Ausmaß. Ein zweiter Nachteil sulfonierter Lignin-Dispergiermitte! besteht darin, daß, wenn mit Diazofarbstoffen bei Färbeverfahren unter hoher Temperatur und Druck gefärbt wird, die oxidierbaren Ligninstrukturen die Diazofarbstoffbindung reduzieren können. Ein anderer Nachteil, die braune Farbe, ist psychologischer Natur. Schließlich sind die Schaurnstabilisierungseigenschaften aus mehreren Gründen störend.
Die Vorteile, die wasserlösliche Dispergiermittel aus Lignin-Addukten gegenüber anderen Dispergiermitteln besitzen, sind die Fähigkeit, der Farbstoffdispersion eine bessere Wärmestabilität zu verleihen und mit gleichförmiger Wirksamkeit zu dispergieren. Ein anderer Vorteil eines wasserlöslichen Lignin-Addukt-Dispergiermittels ist, daß es als ein Farbverzögerer wirken kann. Einige Farbstoffe haben die Neigung, die Färbung bei sehr
ίο niedrigen Temperaturen zu beginnen. Färber bevorzugen Farben, um eine Faser mit einer der Temperaturzunahme proportionalen gleichbleibenden Geschwindigkeit zu färben. Wenn der Farbstoff zu schnell färbt, nehmen die Werkstoffe ein streifiges Aussehen an; und Falten in dem Material färben rascher als die glatten Flächen des Stoffes.
Wie schon früher bemerkt wurde, sind die nach der Erfindung hergestellten wasserlöslichen Lignin-Addukte besonders brauchbar als Dispergiermittel, Bindemittelzusätze und metallkomplexbildende Mittel.
Die praktische Durchführung der Erfindung kann aus den folgenden Beispielen klarer ersehen werden.
Beispiel 1
Zu 38,7 mi Wasser wurden unter Rühren 100 g Alkaiilignin gegeben. Unter einer Stickstoffatmosphäre wurden 32 g NaOH (50%) (4 Mol/1000 g Lignin) und 45,7 g ClCH2SO3Na (3 Mol/1000 g Lignin) bvii Raumtemperatur zugefügt. Dann wurde das Material
μ gefriergetrocknet. 5 g dieses getrockneten Materials wurden in einen 50-ml-DreihalskoIben mit rundem Boden gegeben, der mit einem Rückflußkühler, Rührer und Stickstoffeinlaß, versehen war, und dann auf verschiedene Temperaturen erhitzt. Nach 5stündigem Rühren wurde das Material auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. 0,5 g jeder Probe wurden in 25 ml Wasser gelöst und mit HCI (0,5-n) versetzt, bis eine Ausfällung einzutreten begann.
•to Temperatur
(C)
pH nach Reaktion
Ausfällungspunkt
(pH)
100 11,55 5,8 Beispiel 2
120 11,05 4,5
45 140 10,50 2,8
160 10,35 1,0 (noch in Lsg.)
180 10,65 1,0 (noch in Lsg.)
Zu 387 ml Wasser wurden unter Rühren 100 g Alkaiilignin gegeben. Unter einer Stickstoffatmosphäre wurden 32 g NaOH (50%) und 45,7 g ClCH2SO3Na bei Raumtemperatur zugefügt. 20 ml dieser Lösung wurden in einen Autoklav gegeben und auf die Temperatur in einem Ölbad erhitzt. Nach 5stündiger Reaktionszeit unter gelegentlichem Schütteln wurde das Material auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. 5 ml jeder Lösung wurden mit 25 ml Wasser verdünnt und mit HCI (0,5-n) versetzt, bis Ausfällung einzutreten begann.
b0
Temperatur
pH nach Reaktion Ausfallungspunkt
("C) (pH)
100 11,55 6,9
bis 120 11,35 5,8
140 11,35 5,9
160 11,30/11,1 5,7/5,5
180 10,95 5 5
Beispiel 3
Zu 100 g Alkalilignin wurden 32 g einer 50%-NaOH-Lösung in 337 ml Wasser unter Rühren und einer !^-Atmosphäre gegeben. Nach Zugabe von 46 g ClCH2PO3H2 (3 Mol/1000 g Lignin; zugegeben als 85%ige wäßrige Lösung) und 48 g 5O°/oiger NaOH wurde das Gemisch gefriergetrocknet 5 g dieser trockenen Ligninprobe wurden in einen 50-ml-Dreihalskolben mit rundem Boden gegeben. Dieses Materia1 wurde in einem ölbad erhitzt, und es wurden 1 g Teile nach i5, 30, 60, !20 und 300 Minuten entnommen. Die Produkte wurden jeweils in Wasser gelöst (0,5 g Produkt in 25 ml Wasser) und der Fällungspunkt wurde mit 0,5 n-HCl bestimmt.
wurden mit 25 ml Wasser verdünnt und mit HCI (0,5-n) versetzt, bis Ausfällung einzutreten begann.
Reaktionszeit pH nach Reaktion
(Min.)
Ausfällungspunk! (pH)
1000C 11,60
0 11,00
15 10,90
30 10,85
60 10,80
120 11,00
300
14O0C 11,60
0 10,50
15 10,45
30 10,20
60 10,00
120 10,15
300
1800C 11,60
0 10,80
15 10,75
30 10,40
60 10,30
120 10,00
300
Temperatur pH nach Reaktion
ί C)
Auslallungspunkt (pH)
100 11,65 6,95
140 11,50 5,90
1(1 180 11,10 5,60
Beispiel 5
Nach der Arbeitsweise von Beispiel 4 wurden die phenolischen Hydroxylgruppen von Alkalilignin mit entsprechend 1, 2 und 4 Mol (je 1000 g Lignin) Chlormethanphosphonat blockiert. Die Ergebnisse waren:
6,50 2,55 2,30 2,15 2,10 1,85
6,50 1,85 1,75 1,70 1,25 1,15
6,50 1,60 1,40 1,20 1,10 1,00 (noch in Lösung)
Beispiel 4
100 g Alkalilignin wurden unter Rühren zu 387 ml Wasser gegeben. 32 g NaOH (50%), 46 g ClCH2PO3H2 (3 Mol/1000 g Lignin, 85%) und 48 g NaOH (50%) wurden bei Raumtemperatur unter einer Stickstoffatmosphäre zugegeben. 20 ml dieser Lösung wurden in einen Autoklav gegeben und auf die Temperatur in einem ölbad erhitzt. Nach 5stündiger Reaktionszeit unter gelegentlichem Schütteln wurde das Material auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. 5 ml jeder Lösung Reaktionszeil pH nach Reaktion
(Min.)
Ausfallungsfiunkt (pH)
1 Mol 11,40
0 11,80
5 11,50
15 11,60
60 11,50
120
2MoIe 11,35
0 11,35
5 10,85
15 10,65
60 10,65
120
4MoIe 11,45
0 10,95
5 10,85
15 10,75
60 10,20
120
6,60 3,00 2,60 2,60 2,55
6,75 2,50 1,90 1,80 1,80
6,30 1,65 1,35 1,30 0,95
Beispiel 6
Eine Anzahl sulfonierter Lignine wurde mit den nach der Erfindung hergestellten Lignin-Addukten behandelt und als Farbstoffdispergiermittel getestet Die Arbeitsweise bestand darin, eine wäßrige NaOH-Lösung des Blockierungsmittels zu einem in Wasser gelösten
so sulfonierten Lignin unter Rühren und einer Stickstoffatmosphäre zuzugeben. Nach etwa ISminütigem Rühren wurden die Lösungen getrocknet. Die folgenden Materialien wurden zur Bewertung hergestellt:
Probe Nr. Blockierungs Mole der Zugabe/ Mole NaOH/ Ausgangsmaterial
zusatz 1000 g Lignin 1000 g Lignin
1 ClCH2SO3Na 1 kein Natriumsalz von sulfonierten!
modifiziertem Kraftlignin
2 desgl. 1,5 1,5 desgl.
3 desgl. 3 3 desgl.
4 desgl. 6 6 desgl.
5 desgl. 10 10 desgl.
6 desgl. 10 10 sulfoniertes Kraftlignin
7 ClCH2PO3Na2 1 kein Natriumsalz von sulfonierten!
Fortsetzung 7 Blockicrungs-
/LlSiIlZ
23 26 935 8
Probe Nr. desgl.
desgl.
desgl.
desgl.
ClCH2CH2OH
MnIc der Zugabe/
1000 g Lignin
MoIcNaOH/
1000 g Lignin
Ausgangsmalcrial
8
9
IO
11
12
1,5
3
6
10
6
1,5
3
6
!0
pH mit NaOII bei
10,5-11,5 gehalten
desgl.
desgl.
desgl.
desgl.
sulfoniertes Kraftlignin
Jedes dieser Produkte wurde als Farbstoff-Dispergiermittel in der folgenden Lösung bewertet.
Eine Standard-Diazodispersionsfarbstofflösung wurde durch Mischen von 5 g Diazodispersionsfarbstoff (CI. 21 000) in 1 Liter destilliertem Wasser hergestellt. Die blockierten Lignin-Addukte mit variierenden Molen Reagens (von 1 Mol bis 10 Mol) wurden zu der Standard-Farbstofflösung gegeben und das Dispergierungsvermögen, die Faseranfärbung, das Schäumen und die Diazofarbstoffreduktionseigenschaften bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle unten wiedergegeben.
Der Test zur Bestimmung des Ausmaßes der Faseranfärbung, verursacht durch oberflächenaktive Mittel auf Ligninbasis, bestand darin, 10 g oberflächenaktives Mittel auf Ligninbasis auszuwiegen und in 300 ml Leitungswasser zu lösen. Das pH wurde mit Essigsäure auf 9,0 eingestellt, 5 g Nylonfaserstrang wurden zugegeben, dann wurde zum Sieden erhitzt. Das Gemisch wurde 15 Minuten am Sieden gehalten, der Strang mit Leitungswasser gewaschen und in einem Ofen bei 105° C getrocknet.
Der Test zur Bestimmung der Schäumungseigenschaften der oberflächenaktiven Dispersionsfarbstoffe bestand darin, 1 g des oberflächenaktiven Mittels auszuwiegen und in 100 ml Leitungswasser zu lösen. Das pH wurde mit Essigsäure auf 9,5 eingestellt, wonach in einen 250-ml-Meßzylinder gegossen wurde. Dieser wurde 5mal schnell umgestülpt und die Höhe des Schaums in ml sofort nach Beendigung der Stülpoperationen und wieder nach Verstreichen von 1 Minute und 2 Minuten ermittelt. Wenn der Schaum innerhalb 2 Minuten verschwand, wurde die Zeit notiert, nach welcher der gesamte Schaum verschwunden war. Die Lösung wurde zurückgegeben, nachdem der gesamte Schaum gebrochen war (oder nach 2 Min.), das pH auf 7,0 mit Essigsäure herabgesetzt und die Stülpoperation und der Registerteil des Tests wurden erneut durchgeführt.
Der Diazofarbstoff-Reduktionstest wurde durchgeführt, indem eine Druckbombe mit 500 mg Diazodispersionsfarbstoff (CI. 21000), 200 ml Wasser und 20 g sulfoniertem Lignin-Dispergiermittei gefüllt wurde. Da« Gemisch wurde gründlich gerührt und das pH mii Essigsäure zwischen 5 und 6 eingestellt. Ein 10 g Nylonstrang wurde in das Farbstoffgemisch gesetzt, die Bombe verschlossen und 1 Stunde auf 130°C erhitzt Nach Abkühlen wurde der Strang aus der Bomb« entfernt, gewaschen und getrocknet. Die Reduktion ir der Farbe wurde durch visuelle Beobachtung verglichen kann jedoch gegebenenfalls durch Analyse der Rück Standslösung mit einem Spektrometer bestimmt wer den.
Ansatz Mole Diazofarb Faseran- Schäumungstest***), ml Schaum 1 Min. 2 Min. 4 pH 9,5 1 Min.
Reagens/1000 g
Lignin
stolTreduk
tion*)
larbung**) pH 7,0 10 8 4 anfangs (5)
anfangs 5 (50) (28) 20 (3)
1 I 5 5 45 (13) - (50) 15 (3)
2 1,5 4 4 70 (55) - - 15 (5)
3 3 3 3 25 (56) - - 15 (5)
4 6 2 1 15 (35) - Anmerkungen: *) 1 = Wenig oder keine Diazol'arbstolTrcduktion, 5 = Ernsthafte DiazofarbstolTreduktion. 15 (3)
5 10 1 1 30 6 10 (19)
6 10 3 1 30 7 45 10
7 I - 5 45 5 50 25
8 1,5 - 4 50 4 40 30
9 3 - 3 35 (8) 40 32
10 6 - 1-2 40 (14) 50 -
11 10 - 1 30 -
12 6 '2 2 30
*♦) I = Wenig oder keine Fascranfiirbung, 5 = Ernsthalte Faseranfiirbung.
♦♦♦) Zahlen in klammern sind Sekunden, die bis zum Brechen des Schaums erforderlich waren.
In allen Fällen waren Tendenzen zur Fascranfärbung und DiazofarbstofTreduktion gebessert in Vergleich zu den herkömmlichen sulfonierten Lignin-Dispcrgicrmittel von Ansatz 1. Außerdem blieben die guten Dispergiermittel eigenschaften erhalten und wurde das Schäumen bedeutend herabgesetzt.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mit blockierten Hydroxylgruppen durch Umsetzung des Lignins bei :iner Temperatur zwischen 0 und 200°C, mit chlorhaltigen Blockierungsmitteln in Wasser oder alkalischer Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß man bis zu 20 Mol Chlormethansulfonat, Chlormethanphosphonat, 3-Chlor-2-hydroxypr«panphosphonat oder 1-Chlor-2-hydroxyäthanphosphonat mit je 1000 g Lignin umsetzt
2. Farbstoffmasse, enthaltend einen Dispersionsoder Küpenfarbstol'fltuchen und 1 bis 75 Gew.-°/o, bezogen auf diesen Farbstoffkuchen, eines Produktes nach Anspruch 1.
DE2326935A 1972-05-25 1973-05-24 Verfahren zur Herstellung von Lignin-Addukten mit blockierten Hydroxylgruppen und diese Addukte enthaltende Farbstoffmasse Expired DE2326935C3 (de)

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