DE4105447A1 - Sulfatierung von lignin - Google Patents
Sulfatierung von ligninInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von sulfa
tierten Ligninen, die zur Verwendung als chemische Zusätze in
anderen chemischen Zusammensetzungen und Verfahren geeignet
sind, und insbesondere mit Schwefeltrioxid-Amin-Komplexen
sulfatiertes Lignin.
Lignin ist ein komplexes Polymeres mit hohem Molekulargewicht,
das in der Natur in enger Verbindung mit cellulosehaltigen
Pflanzen und Bäumen auftritt. In der Papierindustrie läßt sich
Lignin als Nebenprodukt des Celluloseproduktes in zwei haupt
sächlichen Holzaufschlußverfahren gewinnen, nämlich im Sulfit
verfahren und im Sulfatverfahren. Das Lignin aus dem Sulfit
verfahren wird durch direkte Sulfonierung aus dem cellulose
haltigen Anteil des Holzschliffs gelöst, wohingegen das Sul
fatverfahren auf einem alkalischen Abbauvorgang beruht, der
eine Spaltung der β-Arylether-Bindungen im polymeren Lignin
verursacht, was sequentiell chemische Funktionen phenolischer
und karboxylischer Art ergibt. Lignin aus dem Sulfatverfahren
wird durch Säurefällung der Ablauge des Holzaufschlußver
fahrens bei einem pH-Wert unterhalb des pKa-Wertes der Phenol
gruppen isoliert.
Ligninprodukte werden in breitem Umfang als Zusätze in ver
schiedenen chemischen Verfahren und Zusammensetzungen ver
wendet. Wegen der hochgradigen chemischen Aktivität von Lignin
wird es vielfältig als oberflächenaktives Mittel, Streckmit
tel, Dispersionsmittel, Verstärkungsmittel, Lösungsmittel,
Bindemittel, Abscheidemittel, Emulgator und Emulsions
stabilisator, sowie als Stabilisations- und Schutzkolloid
verwendet. Lignin wird unter dem Warenzeichen INDULIN® von der
Westvaco Corporation, North Charleston, South Carolina,
Vereinigte Staaten von Amerika, vertrieben.
Sulfonierte Ligninverbindungen, insbesondere Natriumsalze von
Lignosulfonaten, werden im großen Umfang als Zusätze und Dis
persionsmittel in Textil-Färbemitteln und Druckpigmenten ver
wendet, und seit einigen Jahren von der Westvaco Corporation
unter den Warenzeichen POLYFON® und REAX® vertrieben. Der
Sulfonierungsgrad von Lignin bestimmt im allgemeinen seine
Wasserlöslichkeit bei verschiedenen pH-Werten; Natriumsalze
von sulfonierten Ligninen sind zum Beispiel bei alkalischen
und höheren pH-Werten allgemein wasserlöslich, während sie bei
niedrigeren, oder sauren pH-Werten wasserunlöslich sind.
Die ebenfalls anhängigen, durch Übertragung auf die Anmelderin
übergegangenen US-Patentanmeldungen Nr. 07/2 98 677 mit Anmel
dedatum vom 19. Januar 1989 und Nr. 07/3 24 320 mit Anmelde
datum vom 16. März 1989 beschreiben die Herstellung von sul
fonierten Ligninzusammensetzungen mit hohem Sulfonierungsgrad
und hoher Wasserlöslichkeit durch Umsetzung des Ligninaus
gangsmaterials mit Schwefelsäure bzw. Oleum. Bei der Sulfo
nierung von Ligninen binden sich die aus der Sulfonierungsre
aktion hervorgegangenen Sulfonsäuregruppen in Ortho-Stellung
zu der Hauptseitenkette des Lignins direkt an den aromatischen
Ligninring, wie es in der nachstehenden Formel dargestellt
ist:
worin R = H oder OCH3 ist.
Die Sulfonierung von Ligninen kann auch in einem Sulfomethy
lierungsverfahren erfolgen, bei dem das Ligninmaterial zu
nächst mit einem geeigneten Methylolationsmittel, wie z. B.
Formaldehyd, methyloliert und anschließend mit einem Sulfit-
oder Bisulfitsalz wie beispielsweise Natriumbisulfit behandelt
wird, um die Sulfonsäuregruppen an die den Phenolgruppen des
Ligninmaterials benachbarte Methylolseitenkette zu binden, wie
aus der nachstehenden Formel hervorgeht:
Die Sulfonierung von Ligninen kann auch durch Sulfonierung der
Seitenkette des Lignins zur Herstellung eines POLYFON®-
Ligninproduktes erfolgen, wie es in der nachstehenden Formel
dargestellt ist:
Die US-Patentanmeldung 26 88 611 schlägt vor, Ligninsulfate
durch Behandlung von Ligninmaterial in einem wasserfreien
Medium mit einer eine SO3-Gruppe enthaltenden Verbindung, die
aus der Gruppe mit Alkalimetallchlorosulfonaten, Metall
chlorosulfonaten der Gruppe II-A und Schwefeltrioxid-Amin-
Komplexen ausgewählt wurde, herzustellen, um unter Einbe
ziehung der Hydroxylgruppen der Phenolringkomponenten des
Lignins sulfatierte Lignine zu gewinnen.
Hochgradig sulfonierte Lignine sind zur Verbesserung der Was
serlöslichkeit und für Anwendungen bei hohem Elektrolytgehalt
erwünscht, wie z. B. als Ligninzusätze in Bohrflüssigkeiten
für Ölquellen, gewissen Färbemitteln, Tintenformulierungen,
Spurennährstoffen, Beton und Zement. Zwar beeinträchtigen
Salze die Ligninlöslichkeit unterhalb der Ionenladungsbedin
gungen derartiger Systeme auf negative Weise; ein Ausgleich
der Löslichkeit läßt sich jedoch durch Erhöhung des Gehaltes
an Sulfonsäure des Lignins schaffen.
Die Löslichkeit des sulfatierten oder sulfonierten Lignins
läßt sich durch Säurepunkt oder Säurefällungspunkt bzw. -zahl
ausdrücken, welches die Gramm-Menge an 50%iger Schwefelsäure
darstellt, die zur Auslösung des Fällungsvorganges in 35 ml
Lösung mit 0,5 Gew.-% Lignin erforderlich ist. Wie bereits er
wähnt ist, je höher die Säurezahl des Lignins, desto größer
dessen Gehalt an Sulfonsäure/Sulfat und dessen Wasserlös
lichkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung eines sulfatierten Lignins mit hohem Schwefel
gehalt und ausgezeichneter Wasserlöslichkeit zur Verfügung zu
stellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein sulfatiertes Lignin
produkt mit hohem Gehalt sulfatierter Gruppen zur Verfügung zu
stellen, das in Anwendungen eingesetzt werden kann, die eine
hochgradige Wasserlöslichkeit des Ligninzusatzes erfordern.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung sulfatierter Lignine durch ihre Umsetzung mit
einem organischen Amin-Schwefeltrioxid-Komplex in wäßrigem
Medium zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her
stellung eines sulfatierten Lignins mit hohem Sulfatierungs
gehalt und ausgezeichneter Wasserlöslichkeit, bei dem Lignin
in wäßriger Lösung mit einem organischen Amin-Schwefel
trioxid-Komplex umgesetzt wird, insbesondere mit einem Komplex
aus der Gruppe von Pyridin-Schwefeltrioxid, Triethylenamin-
Schwefeltrioxid und Trimethylamin-Schwefeltrioxid, unter Be
dingungen, die eine Sulfatierung des Lignins an der ionisier
ten Hydroxylgruppe (O⁻Na⁺) des organischen Phenolringes, wie in
der nachstehenden Formel dargestellt, bewirken:
Die Menge des in wäßriger Lösung gelösten Lignins läßt sich
typischerweise von ca. 5 bis ca. 50 Gew.-% Feststoff vari
ieren, je nach gewünschtem Sulfatierungsgrad. Üblicherweise
lassen sich 15-35 Gew.-%, vorzugsweise ca. 25 Gew.-% Fest
stoff an Lignin in wäßriger Lösung unter alkalischen Bedin
gungen auflösen und mit dem gewählten organischen Amin-
Schwefeltrioxidkomplex unter Temperatur- und Zeitbedingungen,
die eine wirkungsvolle Sulfatierung des Lignins in wäßrigem
Medium gewährleisten, umsetzen.
Zur optimalen Sulfatierung ist der pH-Wert der wäßrigen Lösung
vorzugsweise so hoch wie praktisch möglich. Die Menge des
verwendeten Amin-Schwefeltrioxid-Komplexes kann variieren, je
nach gewünschtem Sulfatierungsgrad im Ligninprodukt. Wird ein
geringer Sulfatierungsgrad gewünscht, kann weniger Komplex
verwendet werden, und bei gewünschtem hohem Sulfatierungsgrad
wird entsprechend mehr Komplex in der Reaktion verwendet. Die
Komplexmenge kann üblicherweise zwischen ca. 1 Mol bis ca. 5
Mol Komplex pro 1000 Gramm-Mol Lignin in Lösung variieren. Die
optimalen Reaktionstemperaturen wechseln in Abhängigkeit von
dem jeweiligen gewählten Amin-Schwefeltrioxid-Komplex. Die
optimale Reaktionszeit ist im allgemeinen die gleiche, oder
ca. 60 Minuten.
Die verschiedenen Parameter der Erfindung und die Auswirkung
von Temperatur, Konzentrationen, und pH-Wert der Reaktion auf
die bei den umgesetzten Ligninprodukten erhaltenen Säurezahlen
lassen sich durch die nachfolgenden Beispiele und die aus ih
nen errechneten Daten erläutern. Mengen nichtsulfonierten Lig
nins, z. B. INDULIN-Lignin, und bereits vorsulfonierter Ligni
ne, z. B. REAX® und POLYFON®, werden als Ausgangsligninmate
rial verwendet, wäßrige Lösungsproben davon werden mit ver
schiedenen Komplexen von Pyridin-Schwefeltrioxid, Triethylen-
Schwefeltrioxid und Trimethylen-Schwefeltrioxid umgesetzt. Die
Reaktionen laufen während ca. 60 Minuten ab und die Säurepunk
te der Endprodukte sind in den nachfolgenden Tabellen aufge
führt:
Aus den voranstehenden Daten läßt sich ersehen, daß Tempera
turen zur Erzielung einer optimalen Sulfatierung des Lignins
von der Art des in der Reaktion verwendeten Komplexes vor
gegeben werden. Wie aus den Tabellen ersichtlich, scheint die
Reaktion des Pyridin-Schwefeltrioxid-Komplexes am besten bei
ca. 25°C abzulaufen, während der Trimethylamin-Komplex bei
einer Reaktionstemperatur von 90-100°C optimale Ergeb
nisse zeigte. Die optimale Temperatur für die Reaktion des
Triethylamin-Komplexes beträgt ca. 60°C. Ferner steigt der
Sulfatierungsgrad bei Erhöhung der Konzentration des Lignins
in wäßriger Lösung.
Wie aus den Daten hervorgeht, lassen sich Säurezahl und
Wasserlöslichkeit von bereits vorsulfonierten Ligninen, wie z. B.
der von Westvaco hergestellten REAX®- und POLYFON®-Lignine,
durch Sulfatierung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfin
dung erhöhen, bei dem die Hydroxylgruppe am aromatischen
Phenolkern des Lignins sulfatiert wird.
Da sowohl Sulfon- als auch Sulfatgruppen bei ungefähr demsel
ben pKa-Wert, nämlich 1,7, vorliegen, lassen sich die Säure
punktkonzentrationen austauschbar zur Bestimmung des Um
setzungsgrades verwenden. Wird beispielsweise ein sulfoniertes
Vorprodukt, z. B. REAX®- und POLYFON®-Lignin, sulfatiert, zeigt
die Differenz der Säurepunkte von Vorstufe und sulfatiertem
Lignin die Menge der sulfatierten Gruppen, die in das Lignin-
"Rückgrat" eingeführt wurden.
Die Ligninsulfatierung in wäßriger Lösung bietet mehrere Vor
teile gegenüber der herkömmlichen Ligninsulfonierung gemäß dem
Stand der Technik. Diese Vorteile umfassen eine Erhöhung der
Reaktionsgeschwindigkeit, da die Reaktion bei pH 11 innerhalb
einer Stunde abgelaufen ist, während im allgemeinen längere
Reaktionszeiten, z. B. 6-12 Stunden, für eine Sulfomethy
lierung (atmosphärisch) und ca. 2 Stunden für eine Sulfo
nierung (unter Druck) erforderlich sind. Ferner erfolgt eine
Phenolblockierung bei der Sulfatierung, was ein Sulfatierungs
produkt ergibt, das farblich heller ist, eine geringere
Faserverfärbung und eine allgemein geringere Azofarbstoffre
duktion aufweist als die sulfonierten und sulfomethylierten
Lignine des Standes der Technik. Da die Pufferkapazität der
Phenole in üblichen Ligninen während der Sulfatierung größ
tenteils ausgeschaltet wird, lassen sich die pH-Werte leichter
einstellen. Reine sulfatierte Lignine können biologisch leich
ter abbaubar sein als ihre sulfonierten oder sulfomethylierten
Gegenstücke, da sulfatierte Gruppen ziemlich leicht spaltbar
sind, was die Stabilisierungswirkung von sulfonierten Struk
turen ausschaltet.
Das folgende Beispiel erläutert ein spezifisches Laborver
fahren zur Herstellung von sulfatiertem Lignin mit 3 Mol eines
Trimethylamin-Schwefeltrioxid-Komplexes:
340 Gramm einer 34%igen wäßrigen Indulin A Lignin-Aufschläm
mung (100 g getrocknetes Lignin) werden mit 50%iger Natrium
hydroxid-Lösung auf einen pH-Wert von 11 alkalisch gemacht.
Die Temperatur wird auf 90°C erhöht, woraufhin 41.7 g des
Trimethylamin-Schwefeltrioxid-Komplexes hinzugefügt werden.
Der pH-Wert wird mit Natriumhydroxid bei 11 gehalten, und nach
60 Minuten wird freies Trimethylamin in einem Rotationsver
dampfer entfernt. Das entstandene sulfatierte Natriumsalz
lignin wird anschließend sprühgetrocknet. Der Grad der Sulfa
tierung wird quantitativ über den Säurepunkt und durch Analyse
des organischen Schwefels bestimmt. Der Säurepunkt wird durch
Titration von 35 ml einer 0,5% Ligninlösung mit 50% Schwefel
säure auf den Punkt, an dem die Ligninausfällung einsetzt,
bestimmt. Schwefelsäure wird tropfenweise in Intervallen von
jeweils 1 Sekunde zugesetzt. Die Menge des Titrationsmittels
steht quantitativ in bezug zum Sulfatierungsgrad des Lignins.
Organischer Schwefel wird quantitativ analysiert durch Aus
waschen der anorganischen Salze aus 5 g des Ligninsulfats
mittels Ultrafiltration (der Punkt, an dem das Eluiermittel in
seiner Leitfähigkeit gleich dem Auswaschwasser ist, schließt
das Ultrafiltrationsverfahren ab). Eine Membran für Molekular
gewicht 500 der Amicon Corporation wird verwendet, das erhal
tene reine Ligninsulfat in einem Konvektionsofen getrocknet
und Schwefel mit einem LECO-Analysegerät bestimmt. Bei der
Berechnung des Wertes des organischen Ligninsulfates muß jed
wede in dem Ausgangslignin (Indulin A) vorhandene Schwefel
menge von der gesamten Schwefelmenge, wie sie mit dem LECO-
Analysegerät bestimmt wurde, subtrahiert werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines sulfatierten Lignins,
welches folgende Schritte umfaßt: Auflösen von Lignin in
einer wäßrigen alkalischen Lösung, Zusetzen eines orga
nischen Amin-Schwefeltrioxid-Komplexes zu dem wäßrigen
aufgelösten Lignin, und Umsetzen des Amin-Schwefel
trioxid-Komplexes mit dem Lignin unter Bedingungen, die
eine Sulfatierung des Lignins gewährleisten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ligninkonzentration in Lösung zumindest 25 Gew.-%
Feststoff beträgt und daß die Reaktion bis zu ungefähr
einer Stunde andauert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ligninkonzentration in Lösung ca. 25 bis 50 Gew.-%
Feststoff beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwefeltrioxid-Amin-Komplex zur Erzeugung des
sulfatierten Lignins 60 Minuten lang umgesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwefeltrioxid-Amin-Komplex mit Lignin bei einer
Temperatur zwischen ca. 25°C und dem Siedepunkt der
Ligninlösung umgesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwefeltrioxid-Amin-Komplex Pyridin und
Schwefeltrioxid umfaßt und die Reaktionstemperatur ca.
25°C beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwefeltrioxid-Amin-Komplex Triethylamin und
Schwefeltrioxid umfaßt und die Reaktionstemperatur ca.
70°C beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwefeltrioxid-Amin-Komplex Trimethylamin und
Schwefeltrioxid umfaßt und die Reaktionstemperatur ca.
90°C beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das umzusetzende Lignin ein bereits vorsulfoniertes
Lignin ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der pH-Wert der alkalischen Ligninlösung ca. 11
beträgt.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Lignin an der phenolischen OH-Gruppe sulfoniert
wird.
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