DE4427879A1 - Biodegradable wax compsn. - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft biologisch abbaubare Wachskompositionen und daraus hergestellte Wachsemulsionen, die für alle bekannten Wachsanwendungen einsetzbar sind.The invention relates to biodegradable wax compositions and wax emulsions prepared therefrom, which are known to all Wax applications are used.
Bereits seit Anfang der 60er Jahre ist die Herstellung der soge nannten Synthesewachse, meist niedermolekulare Ethylenpolymeri sate, bekannt und beschrieben; ebenso die Gewinnung von paraf finischen Kohlenwasserstoffen aus dem Erdöl (Ullmann, Encyklo pädie Weinheim, Verlag Chemie, 1983, S. 36-45).Since the beginning of the 60s, the production of the soge called synthesis waxes, usually low molecular weight Ethylenpolymeri sate, known and described; as well as the extraction of paraf petroleum hydrocarbons (Ullmann, Encyklo pädie Weinheim, Verlag Chemie, 1983, pp. 36-45).
Weiterhin bekannt ist, sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen in das Wachsmolekül durch Oxidation einzuführen (DD 1 16 625) und durch weitere Modifizierung der Wachse oder Wachsoxidate durch Verseifung oder Veresterung das Anwendungsspektrum zu erweitern (z. B. DD 2 20 186, DD 2 54 732). Diese Modifizierungen sind jedoch z. T. sehr kostenintensiv und mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden.It is also known that oxygen-containing functional groups in to introduce the wax molecule by oxidation (DD 1 16 625) and by further modification of the waxes or wax oxidates Saponification or esterification to expand the range of applications (for example DD 2 20 186, DD 2 54 732). These modifications, however, are z. T. very costly and with significant environmental impact connected.
Diese Wachse oder Wachsoxidate besitzen ein breites Einsatzspek trum. Sie weisen im allgemeinen keine gesundheitsschädlichen Eigenschaften auf, sind jedoch weitestgehend inert und werden von Mikroorganismen nur sehr langsam angegriffen. Daher entsprechen diese bekannten Wachse nicht der in jüngster Zeit von den Final produzenten geforderten Bioabbaubarkeit der Grundprodukte bzw. es verbieten sich wegen der Schwierigkeiten bezüglich des Abbaus in biologischen Wasserreinigungsanlagen oder in Vorflutern von vorn herein einige Anwendungsgebiete. Damit scheiden auch Möglichkei ten der Recyclingkreisläufe, wie z. B. das Kompostieren, aus.These waxes or wax oxidates have a wide range of uses spectrum. They generally have no harmful effects Characteristics, however, are largely inert and are of Microorganisms attacked only very slowly. Therefore match these known waxes are not the most recent of the final biodegradability of the basic products or forbid because of the difficulties in mining in biological water purification systems or in receiving waters from the front in some application areas. Thus divorce also Möglichkei th the recycling cycles, such. B. composting, from.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung von insitu- Wachskompositionen, die sich gegenüber den konventionellen Wach sen durch die Fähigkeit des gesteuerten biologischen Abbaus aus zeichnen und die in einem breiten Kennwertspektrum, insbesondere hinsichtlich Härte, Flexibilität und Viskosität, gezielt einge stellt werden können, wobei die Eigenschaftseinstellung ohne um weltschädigende Operationen möglich sein soll.The object of the invention is the development of in-situ Wax compositions that contrast with the conventional wax sen through the ability of controlled biodegradation draw and in a wide range of characteristics, in particular in terms of hardness, flexibility and viscosity, targeted can be set, with the property setting without World damaging operations should be possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine insitu-Wachs
komposition, enthaltend
90 bis 70 Gewichtsanteile funktionalisierter Synthesewachse und/
oder paraffinischer Kohlenwasserstoffe mit folgenden Kenndaten:The object is achieved by an insitu wax composition containing
90 to 70 parts by weight of functionalized synthesis waxes and / or paraffinic hydrocarbons having the following characteristics:
- - mittlere Molmassen von 500 bis 5000- average molecular weights of 500 to 5000
- - Carboxylgruppen von 5 bis 50 mMol/Mol CH₂- Carboxyl groups of 5 to 50 mmol / mol CH₂
- - Hydroxylgruppen von 5 bis 50 mMol/Mol CH₂- Hydroxyl groups of 5 to 50 mmol / mol CH₂
- - weitere sauerstoffhaltige Gruppen von 0 bis 100 mMol/Mol CH₂ und- further oxygen-containing groups from 0 to 100 mmol / mol CH₂ and
10 bis 30 Gewichtsanteile Pflanzenöle und/oder daraus gewinnbare Fettsäuren oder Fettalkohole.10 to 30 parts by weight of vegetable oils and / or recoverable from them Fatty acids or fatty alcohols.
Um Entmischungen zu verhindern, können noch 0,1 bis 3 Gewichtsan teile eines Compatibilizers zugegeben werden. Als Pflanzenöle werden insbesondere einheimische Pflanzenöle, wie z. B. Rapsöl oder Sonnenblumenöl, verwendet. Aber auch andere Öle, wie Kokosöl oder Jojobaöl, sind einsetzbar. Als Compatibilizer kommen vor zugsweise epoxidierte Pflanzenöle, z. B. epoxidiertes Sojaboh nenöl oder epoxidiertes Rapsöl oder Rapsalkylester, wie Raps methylester, in Betracht.To prevent segregation, can still 0.1 to 3 Gewichtsan parts of a Compatibilizers be added. As vegetable oils In particular, domestic vegetable oils such. B. rapeseed oil or sunflower oil. But other oils, such as coconut oil or jojoba oil, can be used. As Compatibilizer occur preferably epoxidized vegetable oils, e.g. B. epoxidized soybean oil or epoxidized rapeseed oil or rapeseed alkyl esters, such as rapeseed methyl ester, into consideration.
Dabei wird erfindungsgemäß so verfahren, daß im 1. Verfahrens schritt eine Funktionalisierung der Synthesewachse (vorzugsweise PE-, PP- oder EVA-Wachse) oder der Paraffine durch Oxidation nach an sich bekannten Oxidationsverfahren in der Schmelze mittels Luft oder Sauerstoff erfolgt, vorteilhaft z. B. nach der DD 1 16 625.The process according to the invention is such that in the first process a functionalization of the synthesis waxes (preferably PE, PP or EVA waxes) or paraffins by oxidation known oxidation processes in the melt by means of Air or oxygen takes place, advantageously z. B. after DD 1 16 625.
Beispielsweise wird ein nach dem Hochdruckverfahren hergestelltes Polyethylenwachs mit einem Molgewicht von 4350 oder ein Paraffin bei ca. 160°C aufgeschmolzen und durch die Schmelze unter Rühren ein Sauerstoffstrom von ca. 250 l/h geleitet. Die Oxidationsreak tion wird durch gezielte Zugabe kalten Wassers, das kontinuier lich in die Wachsschmelze dosiert und unter innigem Vermischen der Komponenten mit den Reaktionsabgasen abgeführt wird, ge steuert. Nach Beendigung der Reaktion wird abgekühlt und die so funktionalisierten Wachse durch insitu-Compoundierung mit den nativen Komponenten Pflanzenöle und/oder daraus gewinnbare Fett säure oder Fettalkohole sowie ggf. 0,1 bis 3 Gewichtsanteile eines Compatibilizers gekoppelt. Die insitu-Compoundierung er folgt in einem Rührreaktor bei Temperaturen von 5°C oberhalb des Schmelzpunktes des jeweiligen Wachses bis zu Temperaturen von maximal 200°C und unter Inertbedingungen.For example, a produced by the high pressure process Polyethylene wax with a molecular weight of 4350 or a paraffin melted at about 160 ° C and through the melt with stirring an oxygen flow of about 250 l / h passed. The oxidation breaker tion is achieved by targeted addition of cold water, the continuous dosed into the wax melt and with intimate mixing the components is removed with the reaction gases, ge controls. After completion of the reaction is cooled and the like functionalized waxes by in-situ compounding with the native components vegetable oils and / or fat derived from them acid or fatty alcohols and optionally 0.1 to 3 parts by weight coupled to a compatibilizer. The in-situ compounding he follows in a stirred reactor at temperatures of 5 ° C above the Melting point of the respective wax up to temperatures of maximum 200 ° C and under inert conditions.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß durch die erfindungs gemäße insitu-Compoundierung eine homogene Wachskomposition ent steht, wobei die Komponenten durch physikalisch-chemische Ad häsion miteinander verknüpft sind. Die polarisationsmikroskopi schen Untersuchungen zeigen, daß die nativen Komponenten in die Sphärolith-Kristallstruktur des funktionalisierten Wachses ein gebettet sind. Die so entstandenen Wachskompositionen lassen sich wie üblich weiterverarbeiten und finden in den vielfältigsten Einsatzgebieten, wie z. B. in der Papierbeschichtung, zur Her stellung von Baumwachs oder in Lack-, Farben- und Korrosions schutzformulierungen und zur Paraffinveredlung Verwendung, wobei der Vorteil eines gesteuerten biologischen Abbaus die Kompostie rung als mögliche Entsorgung ermöglicht und so Stoffkreisläufe geschlossen werden. Surprisingly, it was found that by the invention proper in-situ compounding a homogeneous wax composition ent stands, whereby the components by physico-chemical Ad are linked to each other. The polarization microscope research shows that the native components in the Sphärolith crystal structure of the functionalized wax are bedded. The resulting wax compositions can be as usual process and find in the most diverse Fields of application, such. B. in the paper coating, to Her position of tree wax or in paint, paint and corrosion protective formulations and for paraffin finishing use, wherein the advantage of controlled biodegradation is the compost tion as possible disposal and thus material cycles getting closed.
Die Erfindung erschließt damit auch weitere hochwertige Einsatz möglichkeiten für Pflanzenöle im chemisch-technischen Bereich, in dem bisher vorwiegend nur die Verwendung zur Herstellung von Bio diesel, Bioschmierstoffen und Tensiden bekannt war, und schafft so Voraussetzungen für den erweiterten Anbau nachwachsender Rohstoffe.The invention thus also opens up further high-quality use possibilities for vegetable oils in the chemical-technical field, in the hitherto mainly only the use for the production of bio diesel, biolubricants and surfactants was known and creates so conditions for the extended cultivation of renewable Raw materials.
Die Erfindung betrifft auch wäßrige Emulsionen auf Basis der er findungsgemäßen insitu-Wachskompositionen. Die erfindungsgemäßen wäßrigen Emulsionen enthaltenThe invention also relates to aqueous emulsions based on he according to the invention in situ wax compositions. The invention aqueous emulsions
- a) 10 bis 40 Gewichtsanteile der erfindungsgemäßen insitu-Wachs kompositiona) 10 to 40 parts by weight of the insitu wax according to the invention composition
- b) 90 bis 60 Gewichtsanteile Wasser, vorzugsweise entsalztes Wasser,b) 90 to 60 parts by weight of water, preferably desalted Water,
- c) 0 bis 15 Gewichtsanteile eines Anverseifungsmittels.c) 0 to 15 parts by weight of a saponification agent.
Besonders bevorzugt sind solche Wachsemulsionen, deren Wachskom position gemäß a) 3 bis 20 Gewichtsanteile Fettsäure, und hier wiederum bevorzugt Ölsäure oder Erucasäure, enthält.Particularly preferred are those wax emulsions whose waxy com position according to a) 3 to 20 parts by weight of fatty acid, and here again preferably oleic acid or erucic acid.
Die Zugabe von Anverseifungsmitteln kann sich als vorteilhaft erweisen. Falls erforderlich, können diese in Mengen bis zu 15 Gewichtsanteilen der Emulsion zugesetzt werden. Solche zu verwen denden Anverseifungsmittel sind vorzugsweise Triethanolamin und/oder wäßrige Alkalilauge, wie beispielsweise Natronlauge oder Kalilauge. Ebenso kann auch noch der Zusatz weiterer Emulgatoren, vorzugsweise auf Basis von Alkylglykolethern oder Alkoxylate auf Basis von Rapsöl, erfolgen. Der Anteil dieser zusätzlichen Emul gatoren kann bis zu 15 Gewichtsanteilen betragen. Die Zugabe er folgt in Abhängigkeit vom HLB-Wert (Maß für die Affinität von Surfactant zur wäßrigen bzw. zur hydrophoben Phase, das Verhält nis von hydrophilen zu lipophilen Bereichen im Molekül). The addition of saponification agents may prove beneficial prove. If necessary, these can be used in quantities of up to 15 Be added by weight of the emulsion. To use such suitable saponification agents are preferably triethanolamine and / or aqueous alkali metal hydroxide, such as sodium hydroxide or Potassium hydroxide solution. Likewise, the addition of further emulsifiers, preferably based on alkyl glycol ethers or alkoxylates Base of rapeseed oil, done. The percentage of this additional emul gators can be up to 15 parts by weight. The addition he follows as a function of the HLB value (measure of the affinity of Surfactant to aqueous or hydrophobic phase, the behavior from hydrophilic to lipophilic regions in the molecule).
Die Herstellung der Emulsionen erfolgt sowohl nach der Wachs-zu- Wachs- als auch nach der Wasser-zu-Wachs-Methode. Dabei kann so wohl drucklos als auch unter Druck gearbeitet werden. Vorteil haft ist das Arbeiten unter einem Druck bis zu maximal 6 bar und bei einer Temperatur von 110 bis 150°C. Unter diesen Bedingungen wird intensiv gerührt und homogenisiert. Danach wird auf Tempera turen von 35 bis 40°C abgekühlt und filtriert.The emulsions are produced both after the wax-up Wax as well as the water-to-wax method. It can do so probably be depressurized as well as under pressure. benefit working under pressure up to a maximum of 6 bar at a temperature of 110 to 150 ° C. In these conditions is stirred intensively and homogenized. After that, on tempera Chilled from 35 to 40 ° C and filtered.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen wäßrigen Emulsionen auf Basis der insitu-Wachskompositionen, insbesondere aus Wachsoxi daten mit spezifischem Gehalt an Carboxyl- und Hydroxylgruppen, Pflanzenölen und Pflanzenfettsäuren, wie Ölsäure, Erucasäure, so wie gegebenenfalls einem Compatibilizer, ist äußerst vielfältig. Sie können u. a. verwendet werden zur Herstellung von Fußboden-, Auto- und Möbelpflegemitteln, Druckfarben, Lacken, wäßrigen Holz lasuren, in der Papierindustrie und in der Kunststoffverar beitung.The use of the aqueous emulsions according to the invention Basis of the in-situ wax compositions, especially wax wax data with a specific content of carboxyl and hydroxyl groups, Vegetable oils and vegetable fatty acids, such as oleic acid, erucic acid, so such as a compatibilizer, is extremely diverse. You can u. a. used for the production of floor, Car and furniture care products, printing inks, varnishes, aqueous wood glazes, in the paper industry and in the plastic industry processing.
Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele näher er läutert.The invention will be closer to him based on the embodiments purifies.
Die Oxidation der Wachse erfolgt in der Schmelze mittels Sauer stoff oder Sauerstoff enthaltenden Medien, wobei vorteilhaft gemäß DD 1 16 625 verfahren wird. In Tabelle 1a sind die für die insitu-Compoundierung verwendeten oxidierten Wachse sowie deren Kenndaten zusammengestellt:The oxidation of the waxes takes place in the melt by means of acid substance or oxygen-containing media, being advantageous is moved according to DD 1 16 625. In Table 1a, those for the In-situ compounding used oxidized waxes and their Characteristics collected:
Die experimentellen Bedingungen für die gelpermeationschromato graphischen Messungen sind in Plaste und Kautschuk 24 (1977) Nr. 7, S. 463 beschrieben.The experimental conditions for gel permeation chromatography graphical measurements are in plastic and rubber 24 (1977) No. 7, p. 463.
Die Konzentration der funktionellen Gruppen wurde anhand der Extinktion typischer Banden im IR-Spektrum ermittelt:The concentration of the functional groups was determined by the Extinction of typical bands in the IR spectrum determined:
- - Hydroxylgruppen: 3400 cm-1 Hydroxyl groups: 3400 cm -1
- - Carboxylgruppen: nach Umsetzung mit Thionylchlorid zu Säurechloriden anhand der dabei ent stehenden Bande bei 1798 cm-1.- Carboxyl groups: after reaction with thionyl chloride to acid chlorides based on the resulting band at 1798 cm -1 .
Die IR-spektroskopischen Messungen wurden an Probeplättchen (Dicke ca. 0,05 mm) vorgenommen, die selbsttragend in einem IR- Spektrometer Perkin-Elmer vermessen wurden.The IR spectroscopic measurements were on test slides (Thickness approx. 0.05 mm), which is self-supporting in an IR Spectrometer Perkin-Elmer were measured.
Die verwendeten nativen Komponenten sind in Tabelle 1b zusammen gestellt:The native components used are summarized in Table 1b posed:
Ein 2,5-l-Reaktor, der mit einem mechanischen Rührer ausgerüstet ist, wird mit 900 g eines zuvor funktionalisierten Synthese wachses oder Paraffins beschickt. Die Funktionalisierung des Wachses erfolgt in der Schmelze bei Temperaturen von ca. 160°C unter Hindurchleiten eines Sauerstoffstromes gemäß Verfahrens weise der DD 1 16 625. Die Kenndaten der eingesetzten Wachse sind in der Tabelle 1a enthalten.A 2.5 liter reactor equipped with a mechanical stirrer is, with 900 g of a previously functionalized synthesis wax or paraffin loaded. The functionalization of the Wax takes place in the melt at temperatures of about 160 ° C. passing an oxygen stream according to the method Example of the DD 1 16 625. The characteristics of the waxes used are contained in Table 1a.
Zu dieser Wachsschmelze, deren Temperatur zwischen 120 bis 160°C liegt, erfolgt dann die Zugabe der nativen Komponente und ggf. des Compatibilizers. Die jeweils verwendeten nativen Komponenten sind in Tabelle 1b zusammengestellt. Die Reaktion erfolgt unter intensivem Rühren bei Atmosphärendruck und unter Inertisierung mittels schwachen Stickstoffstromes. Sie ist nach ca. 2 Stunden beendet. Die Ausbeute ist quantitativ.To this wax melt whose temperature is between 120 to 160 ° C is then added, then the addition of the native component and optionally of the compatibilizer. The used native components are summarized in Table 1b. The reaction takes place under intensive stirring at atmospheric pressure and under inerting by means of weak nitrogen flow. It is after about 2 hours completed. The yield is quantitative.
Die Untersuchungen zur biologischen Abbaubarkeit wurden an der erfindungsgemäßen insitu-Wachskomposition Nr. 6 vorgenommen. Mit der manometrischen Methode nach Warburg (Beschreibung s. Mikro bielle Korrosion von Kunststoffen und ihre Bestandteile, Akade mie-Verlag, Berlin, 1963) wurde der dissimilatorische Abbau der erfindungsgemäßen Wachskomposition verfolgt. Die manometrische Beobachtung erstreckte sich über 8 Stunden bei 30°C mit einer Schwingungszahl von 90 je Minute. Die Auswertung erfolgte nach Sauerstoff-Verbrauch in pl.The biodegradability studies were carried out on the insitu wax composition No. 6 according to the invention. With the manometric method according to Warburg (description see micro Bielle Corrosion of Plastics and Their Ingredients, Akade Mie-Verlag, Berlin, 1963) was the dissimilatory degradation of followed wax composition according to the invention. The manometric Observation extended over 8 hours at 30 ° C with a Oscillation number of 90 per minute. The evaluation was carried out after Oxygen consumption in pl.
Als Vergleich V1 dienten Ansätze ohne organische Kohlenstoff- Quelle (reine Nährlösung für Mikroorganismen) zur Erfassung des Nullwertes der endogenen Atmung der Bakterienzellen. In V2 wurden Ansätze mit einem PE-Wachs der Molmasse (mittleres Mn) von ca. 800 g/mol eingesetzt. For comparison V1, batches without organic carbon were used. Source (pure nutrient solution for microorganisms) for recording the Zero value of endogenous respiration of bacterial cells. In V2 were Batches with a PE wax of molecular weight (mean Mn) of approx. 800 g / mol used.
In Tabelle 3 sind die Meßergebnisse des biologischen Abbaus der
erfindungsgemäßen insitu-Wachskomposition Nr. 6 und der Ver
gleichssubstanzen durch
Pseudomonas aeruginosa, Stamm Hpa,
Ansatz ohne Vorkultur,
Keimgehalt je ml Ansatz: 1,1 × 10⁹
dargestellt.In Table 3, the measurement results of the biodegradation of the invention insitu wax composition No. 6 and the United are equivalent substances by
Pseudomonas aeruginosa, strain Hpa,
Batch without preculture,
Germ content per ml mixture: 1.1 × 10⁹
shown.
Damit sind die erfindungsgemäßen Produkte in biologischen Reini gungsanlagen sehr gut abbaubar. Thus, the products of the invention in biological Reini very well degradable.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Emulsionen eignen sich alle üblichen Wachsemulgierverfahren. Die Emulgierung der oben be schriebenen Rezepturen wurde wie folgt durchgeführt:All of them are suitable for the preparation of the emulsions according to the invention usual wax emulsification process. The emulsification of the above be written formulations was carried out as follows:
Die verwendete Apparatur besteht aus einem 2 l Rührreaktor (Rühr werksantrieb bis 200 U/min, Ultra-Turrax mit Dispergierwerkzeug) aus Edelstahl. Die Apparatur ermöglicht das Emulgieren unter Druck bis max. 6 bar. The apparatus used consists of a 2 l stirred reactor (stirring drive up to 200 rpm, Ultra-Turrax with dispersing tool) made of stainless steel. The apparatus allows emulsification under Pressure up to max. 6 bar.
Die in Tabelle 4 angegebene Wassermenge wird einschließlich von eventuell zugesetztem Emulgator und Anverseifungsmittel in den Reaktor eingefüllt. Danach wird die insitu-Wachskomposition zu dosiert. Diese Mischung wird innerhalb einer Zeit von ca. 70 min auf 120°C erhitzt und bei dieser Temperatur 30 min homogeni siert. Nach dieser Zeit wird die Emulsion innerhalb 20 bis 30 min auf 35 bis 40°C gekühlt und filtriert.The amount of water given in Table 4 is inclusive of possibly added emulsifier and saponification agent in the Filled reactor. Thereafter, the in-situ wax composition becomes dosed. This mixture is within a time of about 70 min heated to 120 ° C and at this temperature for 30 min homogeni Siert. After this time, the emulsion within 20 to 30 min cooled to 35 to 40 ° C and filtered.
Claims (12)
90 bis 70 Gewichtsanteile funktionalisierter Synthesewachse und/oder pa raffinischer Kohlenwasserstoffe mit folgenden Kenndaten:
- - mittlere Molmassen von 500 bis 5000
- - Carboxylgruppen von 5 bis 50 mMol/Mol CH₂
- - Hydroxylgruppen von 5 bis 50 mMol/Mol CH₂
- - weitere sauerstoffhaltige Gruppen von 0 bis 100 mMol/Mol CH₂ und
90 to 70 parts by weight of functionalized synthesis waxes and / or pa raffinic hydrocarbons having the following characteristics:
- - average molecular weights of 500 to 5000
- - Carboxyl groups of 5 to 50 mmol / mol CH₂
- - Hydroxyl groups of 5 to 50 mmol / mol CH₂
- - Further oxygen-containing groups from 0 to 100 mmol / mol CH₂ and
- a) 10 bis 40 Gewichtsanteile der Wachskomposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 4
- b) 90 bis 60 Gewichtsanteile Wasser
- c) 0 bis 15 Gewichtsanteile eines Anverseifungsmittels.
- a) 10 to 40 parts by weight of the wax composition according to claims 1 to 4
- b) 90 to 60 parts by weight of water
- c) 0 to 15 parts by weight of a saponification agent.
- a) eine Wachskomposition ist, die 3 bis 20 Gewichtsanteile Fettsäure enthält.
- a) is a wax composition containing 3 to 20 parts by weight of fatty acid.
- c) Triethanolamin und/oder eine wäßrige Alkalilauge ist.
- c) triethanolamine and / or an aqueous alkali metal hydroxide.
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