EP1165666A1 - Method for making a cellulose or starch fatty ester by esterification or transesterification - Google Patents

Method for making a cellulose or starch fatty ester by esterification or transesterification

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Publication number
EP1165666A1
EP1165666A1 EP00906455A EP00906455A EP1165666A1 EP 1165666 A1 EP1165666 A1 EP 1165666A1 EP 00906455 A EP00906455 A EP 00906455A EP 00906455 A EP00906455 A EP 00906455A EP 1165666 A1 EP1165666 A1 EP 1165666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fatty
esterification
cellulosic
transesterification
cellulose
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00906455A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Carlos Vaca-Garcia
Marie Elisabeth Borredon
Antoine Gaset
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Publication of EP1165666A1 publication Critical patent/EP1165666A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B5/00Preparation of cellulose esters of inorganic acids, e.g. phosphates
    • C08B5/02Cellulose nitrate, i.e. nitrocellulose
    • C08B5/04Post-esterification treatments, e.g. densification of powders, including purification
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B3/00Preparation of cellulose esters of organic acids
    • C08B3/20Esterification with maintenance of the fibrous structure of the cellulose
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B31/00Preparation of derivatives of starch
    • C08B31/02Esters
    • C08B31/04Esters of organic acids, e.g. alkenyl-succinated starch

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a fatty ester of cellulose or starch by esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent.
  • the starting cellulosic or starchy material can come from by-products or residues of vegetable origin rich in cellulose or in starch, or else can be constituted by pure cellulose coming in particular from a papermaking process or from pure starch.
  • the fatty reagent is essentially constituted by one or more fatty acids or by one or more fatty acid esters (in particular mono, di or triglyceride) having one or more acyl groups with at least 6 carbon atoms, or also by a mixture of these fatty substances.
  • Cellulose or starchy materials are very hydrophilic and able to absorb large amounts of water. This property represents a serious defect of this type of material in many applications where they are found in the presence of water or in a humid atmosphere (for example for cellulose: particle board for construction or furniture, cushioning materials for the conditioning, ). Furthermore, in certain applications, hydrophobic substrates capable of absorbing fatty substances (water depollution, etc.) are sought and the hydrophilic nature of cellulosic materials excludes from these applications the numerous products made from cellulose. Cellulosic or starchy materials are an abundant, inexpensive raw material, and the reduction in their hydrophilic nature therefore presents an essential economic advantage.
  • One known means for rendering a cellulosic or starchy material hydrophobic consists in grafting a fatty substance onto its alcohol functions, and numerous methods have been proposed for carrying out such grafting.
  • the oldest method consists in using an acid chloride as fatty substance and in carrying out the reaction in a mixture of solvents organic (including pyridine) which prevents the degradation of cellulose or starch by the hydrochloric acid formed (CJ MALM et al., Aliphatic Acid Esters of Cellulose, Ind. Eng. Chem. Vol 43, n ° 3 , pp. 684-688, 1951; WOLFF LA. et al., The acylation of corn starch, amylose and amylopectin, J. Am. Chem. Soc, 73, 346-349, 1951).
  • the solvents used are very effective but are expensive, toxic and difficult to extract from the reaction medium (especially pyridine), which has limited the industrial development of this type of process.
  • acid chloride is a relatively expensive reagent.
  • patent EP 0.647.652 proposes a process for esterification or transesterification of a polyol (sucrose) using a fatty substance (mixture of methyl esters of fatty acids) in order to obtain a fatty acid polyester (sucrose polyester) in the absence of a third solvent in the reaction medium (of course, as in the other processes, common extraction solvents such as hexane can be used in this process, a once the reaction has taken place, to separate the product formed).
  • the objective of the process described in this patent is to obtain fatty substances substitutes with low caloric power in order to limit, in the food industry, the drawbacks linked to fatty substances (high metabolic absorption leading to obesity).
  • the present invention proposes to provide a process for esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent, making it possible to obtain a fatty ester of cellulose or starch having hydrophobic properties and requiring no addition of a third solvent during the reaction (the only solvents used being common solvents for the separation of the fatty ester from cellulose or starch, once the reaction has been carried out).
  • the reaction which takes place can be schematized as follows: Poly-OH + fatty reagent -> Poly-O-CO-R + by-product (where Poly represents the polymer chain of cellulose or starch).
  • the essential objective of the invention is thus to esterify or transesterify a cellulosic or starchy material in order to make it hydrophobic without using toxic solvents, in particular pyridine.
  • Another object of the invention is to provide a process leading to significantly shorter reaction times compared to the aforementioned known processes.
  • Another objective of the invention is to reduce the parasitic reactions of degradation of the cellulosic or starchy chain in order to limit the formation of degradation products.
  • Another object of the invention is to indicate an esterification or transesterification process which lends itself to continuous implementation.
  • the process targeted by the invention uses as fatty reagent a fatty acid or a fatty acid ester having one or more acyl groups each having at least 6 carbon atoms, or else a mixture of fatty acid and d fatty acid ester of the aforementioned type.
  • the method according to the present invention is characterized in that the cellulosic or starchy material is introduced in the divided solid state, the abovementioned fatty reagent and an esterification or transesterification catalyst in a twin-screw device comprising two co screws.
  • the process of the invention benefits from good industrial profitability linked to the added value that '' give the treated product its hydrophobic properties. It is further noted that the cellulosic or starchy chain of the starting material remains practically intact and that only certain alcohol functions are transformed.
  • the cellulosic materials treated in accordance with the invention can be used for the manufacture of building or furnishing materials, or cushioning materials, capable of remaining in a humid or aqueous atmosphere while retaining good dimensional stability.
  • hydrophobic cellulosic materials can also be used in a divided state to selectively and rapidly absorb (100% fat in less than 2 minutes) the fatty substances contained in mixtures and aqueous solutions (dirty water, domestic effluents and industrial) or well in mixtures in the vapor state (kitchen vapors, industrial vapors) or in solids.
  • aqueous solutions dirty water, domestic effluents and industrial
  • mixtures in the vapor state kitchen vapors, industrial vapors
  • solids in solids.
  • they have the property of being able to break water-fat emulsions and even to work continuously because the fats absorbed from the emulsion can coalesce in the filter and rise to the surface of the mixture to be recovered continuously by skimming. .
  • the cellulosic fibers treated according to the invention also have the advantage of being biodegradable and reusable for a new absorption after extraction of the fatty substance without significant loss of their absorption capacity. They can also be used to make cigarette filters capable of more selectively retaining tar and nicotine compounds of lipophilic nature.
  • the starchy materials treated in accordance with the invention can be used to manufacture packaging films that are not very sensitive to humidity or as an additive in the food, pharmaceutical and paint industries. They can also be used as a biodegradable support for active material, benefiting from a longer degradation time in a humid atmosphere.
  • the active ingredient can be mixed after the esterification or transesterification reaction in order to impregnate the starchy fatty ester obtained.
  • the starchy fatty ester can serve as a herbicide support or a pest repellant: thanks to its hydrophobic nature, a period of effectiveness is longer in outdoor use than if hydrophilic starch was used.
  • the proportion of fatty reagent relative to the cellulosic or starchy material is adjusted within a range corresponding substantially to 0.5 P - 1.5 P, where P is the amount of fatty reagent corresponding to the stoichiometry of the abovementioned grafting reaction.
  • P is the amount of fatty reagent corresponding to the stoichiometry of the abovementioned grafting reaction.
  • the grafting reaction can be an esterification or a transesterification and use, in the case of cellulose, both acid catalysts and basic esterification or transesterification catalysts, and in the case of starch, preferably basic catalysts .
  • a catalyst for transesterification of the cellulosic or starchy material in particular fatty acid salts, K 2 C0 3 , NaOH.
  • the fatty reagent used is then preferably one or more fatty acid esters of the following group: methyl octanoate, methyl decanoate, methyl dodecanoate, methyl tetradodecanoate, methyl hexadodecanoate, methyl octadodecanoate, vegetable oils in particular coconut or palm kernel.
  • an acid or basic esterification catalyst is used for the cellulose, advantageously: NaOH, H 2 S0 4 or p-toluenesulfonic acid and, for the starch, essentially a basic esterification catalyst. , such as NaOH.
  • the fatty reagent used is then preferably one or more fatty acids with a saturated or unsaturated aliphatic chain comprising between 8 and 20 carbon atoms.
  • the catalyst is advantageously used in solid form and previously mixed homogeneously with the liquid fatty reagent, the mixture then being injected into the twin-screw device. This simplifies handling, while facilitating dosing.
  • the catalyst is preferably dosed so that the proportion by weight of catalyst / cellulosic or starchy material is substantially between 1 and 10%.
  • the temperature of the reactive medium is regulated within the aforementioned range by thermal regulation of the tubular enclosure of the twin-screw device; this enclosure can in particular be surrounded by an envelope traversed by a heat transfer liquid.
  • the temperature range which seems to give the best results is appreciably: 190 ° C - 210 ° C.
  • the twin-screw device used in the present invention is in itself of known type; it can in particular comprise, from upstream to downstream, an impregnation zone provided with direct pitch screws, an esterification or transesterification zone provided with direct pitch screws and kneading modules, and a terminal withdrawal zone .
  • the device is supplemented by a cooling zone situated after the esterification or transesterification zone and provided with means for injecting the active material with a view to l 'impregnation of the fatty ester of cellulose or starch.
  • the final isolation of the fatty ester of cellulose or starch can, in known manner, be obtained by extraction of the other constituents by means of an appropriate solvent, in particular ethanol and / or ethyl ether or mixture of the two. A slight heating (about 40 ° C to 50 ° C) increases the efficiency.
  • these solvents are common non-toxic solvents and that they are used once the esterification or transesterification reaction has been obtained outside the twin-screw device (the process not requiring the addition of any solvent in the reaction medium).
  • FIG. 1 is a symbolic longitudinal representation of said twin-screw device
  • FIG. 2 is a cross section through a plane AA '.
  • the device was produced from modules sold by the company "CLEXTRAL” (registered trademark) under the general reference "BC21".
  • Each module includes a tubular double-walled enclosure 1 and 2 which allows thermal regulation of the core of the enclosure where the active organs are housed.
  • Some modules are of the type comprising two identical co-penetrating screws, others of the type comprising shear mixers composed of bilobe discs or kneader discs.
  • the various modules are rotated in synchronism by an electric motor 3 making it possible to obtain a speed of rotation of its output shaft which can reach 600 rpm. In the examples, the rotational speed chosen is 300 rpm.
  • the device essentially comprises the following functional zones (from upstream to downstream): - a so-called impregnation zone Z 1 ⁇ comprising a hopper 4 for supplying cellulosic or starchy materials, a conduit 5 provided with a pump 6 for the injection of the fatty reagent / catalyst mixture previously prepared and four direct screw twin screw modules such as 7,
  • esterification or transesterification zone Z 2 a so-called esterification or transesterification zone Z 2 , combining kneading modules such as 8 and direct pitch twin-screw modules such as 9,
  • a terminal draw-off zone Z 3 comprising a MEL module 10 of twin screw with direct pitch 11 and an outlet 12 of the pasty mixture.
  • the impregnation zone Z combines four direct-screw twin screw modules 7, having decreasing steps from the first to the fourth.
  • the twin screws with decreasing pitch carry out the conveying, kneading and mixing of the cellulosic or starchy solid materials and the fatty reagents and catalyst injected in liquid form.
  • the esterification or transesterification zone combines six direct-screw twin-screw modules such as 9 which provide the conveying and mixing of the materials, and two mixing modules 8 which subject the materials to shearing. These mixing modules are made up of two-lobe discs and mixing discs. In this zone, the esterification or transesterification reaction of the cellulosic or starchy material takes place.
  • the cellulosic material treated is sawdust from pine wood.
  • This material is treated with a fatty reagent consisting of palm kernel oil, the distribution of the fatty chains of which is as follows:
  • C 18 chains are monounsaturated (C 18 : 1) between 12 and 18%, and diunsaturated (C 18 : 2) between 1 and 4%.
  • the esterification catalyst used is a mixture of potassium fatty acid salts (molar composition: 20% palmitic, 40% myristic, 40% lauric). This mixture was prepared by reaction at 110 ° C between a saturated aqueous solution of potassium hydroxide (4.1 eq) and a mixture of fatty acids: myristic (C 14 ) (3 eq) and lauric (C 12 ) (1 eq ). After two hours of reaction with stirring, the salts are dried under vacuum for 48 hours.
  • the abovementioned salts in the form of solid crystals are mixed beforehand with the abovementioned fatty reagent so as to obtain in the twin-screw device the weight proportions indicated below; the flow rate of cellulosic material (sawdust) introduced into the twin-screw device is 20 kg / hour and the screw rotation speed of 300 revolutions per minute.
  • the paste obtained at the outlet of the twin-screw device is treated with hot ethanol and ether ("Soxhlet" process) in order to isolate and purify the solid cellulose ester.
  • the content of ester functions is determined by saponification with NaOH.
  • the rate of ester obtained, expressed in milliequivalents of ester per kg of cellulosic material treated is 800 meq / kg.
  • This example was carried out under the same conditions as Example 1 but using potassium carbonate K 2 C0 3 as catalyst.
  • EXAMPLE 3 Pine sawdust was treated according to the process of the present invention and more particularly according to Example 1. It was used for the manufacture of a wood-plastic composite, composed of 70 parts a commercial polypropylene-polyethylene (PP-PE) co-polymer and 30 parts of hydrophobic sawdust. For comparison, blanks (wood-plastic composites but with sawdust not chemically treated) were produced in the same proportions (70/30) Measurements on 10 samples gave the following results:

Abstract

The invention concerns a method for making a cellulose or starch fatty ester by esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent. The invention is characterised in that it consists in introducing the cellulosic or starchy material in solid or fragmented state, the fatty reagent and an esterification or transesterification catalyst in a double-screw device (1) at a temperature ranging between 180 DEG C and 230 DEG C so as to subject the reactive mixture to a thermomechanical treatment during the reaction; drawing the resulting pasty mixture and isolating the cellulose or starch fatty ester by solvent extraction from the other constituents of the pasty mixture. The inventive method enables to make a cellulosic or starchy material hydrophobic without using toxic solvents.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ESTER GRAS DE CELLULOSE OU D'AMIDON PAR ESTERIFICATION OU TRANSESTERIFICATION PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF A FATTY ESTER OF CELLULOSE OR STARCH BY ESTERIFICATION OR TRANSESTERIFICATION
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un ester gras de cellulose ou d'amidon par esterification ou transesterification d'une matière cellulosique ou amylacée à l'aide d'un réactif gras. La matière cellulosique ou amylacée de départ peut provenir de sous-produits ou résidus d'origine végétale riches en cellulose ou en amidon, ou bien peut être constituée par de la cellulose pure provenant notamment d'un procédé papetier ou de l'amidon pur. Le réactif gras est essentiellement constitué par un ou des acides gras ou par un ou des esters d'acide gras (en particulier mono, di ou triglycéride) ayant un ou plusieurs groupements acyles à 6 atomes de carbone au moins, ou encore par un mélange de ces corps gras.The invention relates to a method for manufacturing a fatty ester of cellulose or starch by esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent. The starting cellulosic or starchy material can come from by-products or residues of vegetable origin rich in cellulose or in starch, or else can be constituted by pure cellulose coming in particular from a papermaking process or from pure starch. The fatty reagent is essentially constituted by one or more fatty acids or by one or more fatty acid esters (in particular mono, di or triglyceride) having one or more acyl groups with at least 6 carbon atoms, or also by a mixture of these fatty substances.
Les matières cellulosiques ou amylacées sont très hydrophiles et aptes à absorber de grandes quantités d'eau. Cette propriété représente un défaut grave de ce type de matières dans de nombreuses applications où elles se trouvent en présence d'eau ou en atmosphère humide (par exemple pour la cellulose : panneaux de particules pour la construction ou l'ameublement, matériaux de calage pour le conditionnement, ...). Par ailleurs, dans certaines applications, on recherche des substrats hydrophobes capables d'absorber des corps gras (dépollution d'eau, ...) et le caractère hydrophile des matières cellulosiques exclut de ces applications les nombreux produits réalisés à base de cellulose. Les matières cellulosiques ou amylacées sont une matière première abondante, peu coûteuse, et la diminution de leur caractère hydrophile présente donc un intérêt économique essentiel.Cellulose or starchy materials are very hydrophilic and able to absorb large amounts of water. This property represents a serious defect of this type of material in many applications where they are found in the presence of water or in a humid atmosphere (for example for cellulose: particle board for construction or furniture, cushioning materials for the conditioning, ...). Furthermore, in certain applications, hydrophobic substrates capable of absorbing fatty substances (water depollution, etc.) are sought and the hydrophilic nature of cellulosic materials excludes from these applications the numerous products made from cellulose. Cellulosic or starchy materials are an abundant, inexpensive raw material, and the reduction in their hydrophilic nature therefore presents an essential economic advantage.
Un moyen connu pour rendre hydrophobe une matière cellulosique ou amylacée consiste à greffer un corps gras sur ses fonctions alcools, et de nombreux procédés ont été proposés pour réaliser un tel greffage.One known means for rendering a cellulosic or starchy material hydrophobic consists in grafting a fatty substance onto its alcohol functions, and numerous methods have been proposed for carrying out such grafting.
Le procédé le plus ancien consiste à utiliser comme corps gras un chlorure d'acide et à effectuer la réaction dans un mélange de solvants organiques (incluant de la pyridine) qui évite la dégradation de la cellulose ou de l'amidon par l'acide chlorhydrique formé (C.J. MALM et al., Aliphatic Acid Esters of Cellulose, Ind. Eng. Chem. Vol 43, n° 3, p. 684-688, 1951 ; WOLFF LA. et al., The acylation of corn starch, amylose and amylopectine, J. Am. Chem. Soc, 73, 346-349, 1951). Les solvants utilisés sont d'une grande efficacité mais sont onéreux, toxiques et difficiles à extraire du milieu réactionnel (surtout la pyridine), ce qui a limité le développement industriel de ce type de procédé. En outre, le chlorure d'acide est un réactif relativement coûteux.The oldest method consists in using an acid chloride as fatty substance and in carrying out the reaction in a mixture of solvents organic (including pyridine) which prevents the degradation of cellulose or starch by the hydrochloric acid formed (CJ MALM et al., Aliphatic Acid Esters of Cellulose, Ind. Eng. Chem. Vol 43, n ° 3 , pp. 684-688, 1951; WOLFF LA. et al., The acylation of corn starch, amylose and amylopectin, J. Am. Chem. Soc, 73, 346-349, 1951). The solvents used are very effective but are expensive, toxic and difficult to extract from the reaction medium (especially pyridine), which has limited the industrial development of this type of process. In addition, acid chloride is a relatively expensive reagent.
Pour éviter l'utilisation du chlorure d'acide et du solvant précité, on a proposé d'autres procédés dans lesquels le corps gras utilisé est soit un acide gras soit un ester d'acide gras, la réaction étant effectuée dans des solvants organiques qui ont pour fonction soit de solubiliser la cellulose ou l'amidon afin que la réaction se déroule en milieu homogène (G. SAMARANAYAKE et W.G. GLASSER, Cellulose derivatives with low DS. I. A novel acylation System, Carbohydr. Polym. Vol 22, p. 1-7, 1993 ; ROBERTS H.J., Nondagradative Reactions of Starch dans : "Starch Chemistry and Technology", Ed. R.L. Whistler & E.F. Paschall, Académie Press, New- York, vol. 1, 439-493, 1965.), soit dans le cas de la cellulose, d'imprégner celle- ci et de l'amener à gonfler pour permettre une meilleure diffusion du réactif (A. I. LATETIN et al., Use of the ester exchange reaction for the synthesis of cellulose stéarates, Polymer Sci. USSR, Vol. 10, p. 761-766, 1968). Les solvants utilisés (mélange chlorure de lithium/diméthylacétamide, diméthylformamide) sont beaucoup moins toxiques que la pyridine mais présentent les mêmes défauts quant au coût et à la difficulté d'extraction en fin de synthèse. Par ailleurs, le brevet EP 0.647.652 propose un procédé d' esterification ou de transesterification d'un polyol (saccharose) à l'aide d'un corps gras (mélange d'esters méthyliques d'acides gras) afin d'obtenir un polyester d'acide gras (polyester de saccharose) en l'absence de tiers solvant dans le milieu réactionnel (bien entendu, comme dans les autres procédés, des solvants courants d'extraction tel que l'hexane peuvent être utilisés dans ce procédé, une fois la réaction effectuée, pour séparer le produit formé). L'objectif du procédé décrit dans ce brevet est d'obtenir des substituts de corps gras à faible pouvoir calorique afin de limiter, dans l'agroalimentaire, les inconvénients liés aux corps gras (forte absorption métabolique conduisant à l'obésité). Le procédé décrit dans ce brevet utilise un catalyseur classique d' esterification ou de transesterification et parvient à réaliser la réaction sans ajout de tiers solvant grâce à une mise en œuvre de celle-ci sous vide. Un autre brevet US 5.596.085 au nom du même titulaire vise le même procédé mis en œuvre sous vide sans solvant mais en film mince (0,5 à 2mm) obtenu, soit dans un réacteur rotatif assurant une centrifugation du mélange réactif liquide, soit dans un réacteur à pales tournantes étalant le mélange réactif, soit par gravité grâce à un écoulement le long d'une surface verticale de ce mélange réactif. Dans ce type de technique en film mince, les co-produits volatils sont extraits en cours de réaction ce qui déplace l'équilibre et permet à la réaction de se dérouler avec un meilleur rendement. Ces brevets EP 0.647.652 et US 5.596.085 visent d'une façon générale tous les polyols, ils mentionnent la cellulose et l'amylose comme polyols de départ possibles, mais ils sont plus particulièrement orientés sur la réaction du saccharose ou dérivés (matériaux agroalimentaires très caloriques) avec des esters méthyliques d'acides gras ; les exemples fournis dans ces brevets décrivent tous la réaction de l'octaacétate de saccharose avec un mélange d'esters méthyliques d'acides gras pour obtenir des polyesters d'acides gras du saccharose.To avoid the use of the acid chloride and of the abovementioned solvent, other processes have been proposed in which the fatty substance used is either a fatty acid or a fatty acid ester, the reaction being carried out in organic solvents which have the function of either dissolving the cellulose or the starch so that the reaction takes place in a homogeneous medium (G. SAMARANAYAKE and WG GLASSER, Cellulose derivatives with low DS. I. A novel acylation System, Carbohydr. Polym. Vol 22, p 1-7, 1993; ROBERTS HJ, Nondagradative Reactions of Starch in: "Starch Chemistry and Technology", Ed. RL Whistler & EF Paschall, Académie Press, New York, vol. 1, 439-493, 1965.), either in the case of cellulose, to impregnate it and cause it to swell to allow better diffusion of the reagent (AI LATETIN et al., Use of the ester exchange reaction for the synthesis of cellulose stearates, Polymer Sci USSR, Vol. 10, p. 761-766, 1968). The solvents used (lithium chloride / dimethylacetamide mixture, dimethylformamide) are much less toxic than pyridine but have the same defects as regards the cost and the difficulty of extraction at the end of the synthesis. Furthermore, patent EP 0.647.652 proposes a process for esterification or transesterification of a polyol (sucrose) using a fatty substance (mixture of methyl esters of fatty acids) in order to obtain a fatty acid polyester (sucrose polyester) in the absence of a third solvent in the reaction medium (of course, as in the other processes, common extraction solvents such as hexane can be used in this process, a once the reaction has taken place, to separate the product formed). The objective of the process described in this patent is to obtain fatty substances substitutes with low caloric power in order to limit, in the food industry, the drawbacks linked to fatty substances (high metabolic absorption leading to obesity). The process described in this patent uses a conventional esterification or transesterification catalyst and manages to carry out the reaction without the addition of a third solvent thanks to the use of the latter under vacuum. Another US patent 5,596,085 in the name of the same holder targets the same process implemented under vacuum without solvent but in thin film (0.5 to 2mm) obtained, either in a rotary reactor ensuring centrifugation of the liquid reactive mixture, or in a rotary vane reactor spreading the reactive mixture, either by gravity by flow along a vertical surface of this reactive mixture. In this type of thin film technique, the volatile co-products are extracted during the reaction, which displaces the equilibrium and allows the reaction to proceed with better efficiency. These patents EP 0.647.652 and US 5,596,085 generally relate to all polyols, they mention cellulose and amylose as possible starting polyols, but they are more particularly oriented on the reaction of sucrose or derivatives (materials high-calorie food) with methyl esters of fatty acids; the examples provided in these patents all describe the reaction of sucrose octaacetate with a mixture of fatty acid methyl esters to obtain polyesters of sucrose fatty acids.
Un tel procédé est intéressant puisqu'il évite l'utilisation d'un tiers solvant dans le milieu réactionnel, et qu'il permet d'obtenir des rendements compatibles avec une exploitation industrielle. A la lecture de ces brevets, le procédé visé paraît donc être une solution au problème du traitement de la cellulose pour la rendre hydrophobe. Toutefois, les inventeurs ont effectué une série d'expérimentations dans les conditions indiquées dans ces brevets et ont constaté que, en aucun cas, la mise en œuvre sous vide préconisée (en film mince ou non) ne permet d'obtenir une esterification ou transesterification de la cellulose. Contrairement à ce qui est annoncé dans ces brevets, cette mise en œuvre ne conduit dans le cas de la cellulose à aucune réaction chimique des fonctions alcool de la cellulose : celle-ci conserve strictement sa nature chimique (en particulier ses propriétés hydrophiles) avec simplement quelques coupures terminales de chaînes. Ce résultat n'est pas étonnant compte tenu de la grande stabilité de la cellulose et de son caractère peu réactif.Such a process is advantageous since it avoids the use of a third solvent in the reaction medium, and it makes it possible to obtain yields compatible with industrial exploitation. On reading these patents, the targeted process therefore seems to be a solution to the problem of treating cellulose to make it hydrophobic. However, the inventors carried out a series of experiments under the conditions indicated in these patents and found that, in no case, the use under vacuum recommended (in thin film or not) does not allow an esterification or transesterification to be obtained. cellulose. Contrary to what is announced in these patents, this implementation does not lead, in the case of cellulose, to any chemical reaction of the alcohol functions of the cellulose: the latter strictly retains its chemical nature (in particular its hydrophilic properties) with simply some cuts chain terminals. This result is not surprising given the high stability of the cellulose and its not very reactive nature.
La présente invention se propose de fournir un procédé d'estérification ou de transesterification d'une matière cellulosique ou amylacée à l'aide d'un réactif gras, permettant d'obtenir un ester gras de cellulose ou d'amidon présentant des propriétés hydrophobes et n'exigeant aucun ajout de- tiers solvant lors de la réaction (les seuls solvants utilisés étant des solvants courants pour la séparation de l'ester gras de cellulose ou d'amidon, une fois la réaction effectuée). La réaction qui se déroule peut être schématisée ainsi : Poly-OH + réactif gras — > Poly-O-CO-R + sous-produit (où Poly représente la chaîne polymère de la cellulose ou de l'amidon).The present invention proposes to provide a process for esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent, making it possible to obtain a fatty ester of cellulose or starch having hydrophobic properties and requiring no addition of a third solvent during the reaction (the only solvents used being common solvents for the separation of the fatty ester from cellulose or starch, once the reaction has been carried out). The reaction which takes place can be schematized as follows: Poly-OH + fatty reagent -> Poly-O-CO-R + by-product (where Poly represents the polymer chain of cellulose or starch).
L'objectif essentiel de l'invention est ainsi d'estérifier ou de transestérifier une matière cellulosique ou amylacée pour la rendre hydrophobe sans utiliser de solvants toxiques, en particulier la pyridine. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé conduisant à des durées de réaction notablement réduites par rapport aux procédés connus précités.The essential objective of the invention is thus to esterify or transesterify a cellulosic or starchy material in order to make it hydrophobic without using toxic solvents, in particular pyridine. Another object of the invention is to provide a process leading to significantly shorter reaction times compared to the aforementioned known processes.
Un autre objectif de l'invention est de réduire les réactions parasites de dégradation de la chaîne cellulosique ou amylacée afin de limiter la formation de produits de dégradation.Another objective of the invention is to reduce the parasitic reactions of degradation of the cellulosic or starchy chain in order to limit the formation of degradation products.
Un autre objectif de l'invention est d'indiquer un procédé d'estérification ou de transesterification se prêtant à une mise en œuvre continue.Another object of the invention is to indicate an esterification or transesterification process which lends itself to continuous implementation.
A cet effet, le procédé visé par l'invention utilise comme réactif gras un acide gras ou un ester d'acide gras ayant un ou plusieurs groupements acyles possédant chacun au moins 6 atomes de carbone, ou encore un mélange d'acide gras et d'ester d'acide gras du type précité. Le procédé selon la présente invention se caractérise en ce que l'on introduit la matière cellulosique ou amylacée à l'état solide divisé, le réactif gras précité et un catalyseur d'estérification ou de transesterification dans un dispositif bi-vis comprenant deux vis co-pénétrantes tournant à l'intérieur d'une enceinte tubulaire portée à une température sensiblement comprise entre 180° C et 230° C en vue de soumettre le mélange réactif à un traitement thermomécanique pendant la réaction d'estérification ou de transesterification, l'on soutire le mélange pâteux obtenu après un temps de séjour dans le dispositif bi-vis compris entre 1 et 30 minutes, et l'on isole l'ester gras de cellulose ou d'amidon solide obtenu par extraction au solvant des autres constituants du mélange pâteux. Les expérimentations ont permis de constater que, en l'absence de solvant dans le milieu réactionnel, on parvient à estérifier ou transestérifier une proportion satisfaisante des fonctions alcool de la cellulose ou de l'amidon en amenant la réaction à s'effectuer dans un dispositif bi-vis dans les conditions ci-dessus définies. Même si cette proportion est plus faible que celle obtenue avec les solvants, en particulier la pyridine, ce résultat est inattendu et remarquable compte tenu de l'échec total enregistré jusqu'à l'heure actuelle pour réaliser une telle transformation de ces fonctions. Il convient de souligner que la proportion de fonctions estérifiées ou transestérifiées est suffisante pour donner à la masse entière de matière cellulosique ou amylacée traitée un caractère hydrophobe marqué. La durée de réaction est très courte, de l'ordre de quelques minutes (alors que les procédés antérieurs des brevets EP 0.647.652 et US 5.596.085 exigent une durée de 4 heures pour transestérifier un dérivé du saccharose) ce qui accroît encore le caractère inattendu du résultat obtenu. Compte tenu de cette courte durée de réaction, de la mise en œuvre continue du procédé, et de l'absence de solvant dans le milieu réactif, le procédé de l'invention bénéficie d'une bonne rentabilité industrielle liée à la plus-value qu'apportent au produit traité ses propriétés hydrophobes. On constate en outre, que la chaîne cellulosique ou amylacée de la matière de départ reste pratiquement intacte et que, seules, certaines fonctions alcool sont transformées. Les matières cellulosiques traitées conformément à l'invention peuvent être utilisées pour la fabrication de matériaux de construction ou d'ameublement, ou matériaux de calage, susceptibles de demeurer en atmosphère humide ou aqueuse en conservant une bonne stabilité dimensionnelle. Ces matières cellulosiques hydrophobes peuvent également être utilisées à l'état divisé pour absorber de façon sélective et rapide (100% de matière grasse en moins de 2 minutes) les corps gras contenus dans des mélanges et des solutions aqueuses (eaux souillées, effluents domestiques et industriels) ou bien dans des mélanges à l'état vapeur (vapeurs de cuisine, vapeurs industrielles) ou encore dans des matières solides. De plus, elles ont la propriété de pouvoir rompre des émulsions eau-matière grasse et même de travailler en continu car les matières grasses absorbées de l'émulsion peuvent coalescer dans le filtre et monter à la surface du mélange pour être récupérées en continu par écrémage. Les fibres cellulosiques traitées conformément à l'invention présentent également l'avantage d'être biodégradables et réutilisables pour une nouvelle absorption après extraction du corps gras sans perte significative de leur capacité d'absorption. Elles peuvent être utilisées également pour fabriquer des filtres de cigarettes capables de retenir plus sélectivement les goudrons et composés nicotines à nature lipophile. Par ailleurs, les matières amylacées traitées conformément à l'invention peuvent être utilisées pour fabriquer des films d'emballage peu sensibles à l'humidité ou en tant qu'additif dans les industries alimentaires, pharmaceutiques et des peintures. Elles peuvent être également utilisées comme support biodégradable de matière active, bénéficiant d'une durée de dégradation plus longue en atmosphère humide. La matière active peut être mélangée après la réaction d'estérification ou de transesterification en vue d'imprégner l'ester gras amylacé obtenu. Ce mélange est avantageusement effectué dans le dispositif bi- vis dans une zone de refroidissement située entre la zone de réaction et la zone de soutirage. Il peut être ainsi réalisé en continu pour conduire à un produit final très homogène. Par exemple, l'ester gras amylacé peut servir de support d'herbicide ou de répulsif pour nuisibles : grâce à son caractère hydrophobe, une durée d'efficacité est plus longue en utilisation extérieure que si de l'amidon hydrophile était utilisé.To this end, the process targeted by the invention uses as fatty reagent a fatty acid or a fatty acid ester having one or more acyl groups each having at least 6 carbon atoms, or else a mixture of fatty acid and d fatty acid ester of the aforementioned type. The method according to the present invention is characterized in that the cellulosic or starchy material is introduced in the divided solid state, the abovementioned fatty reagent and an esterification or transesterification catalyst in a twin-screw device comprising two co screws. -penetrating rotating inside a tubular enclosure brought to a temperature substantially between 180 ° C and 230 ° C in order to subject the reactive mixture to a thermomechanical treatment during the esterification or transesterification reaction, the pasty mixture obtained is drawn off after a residence time in the twin-screw device of between 1 and 30 minutes, and the fatty ester of cellulose or solid starch is isolated obtained by solvent extraction of the other constituents of the pasty mixture. Experiments have shown that, in the absence of solvent in the reaction medium, it is possible to esterify or transesterify a satisfactory proportion of the alcohol functions of the cellulose or of the starch by causing the reaction to take place in a device. twin-screw under the conditions defined above. Even if this proportion is lower than that obtained with solvents, in particular pyridine, this result is unexpected and remarkable taking into account the total failure registered until the present time to achieve such a transformation of these functions. It should be emphasized that the proportion of esterified or transesterified functions is sufficient to give the entire mass of cellulosic or starchy material treated a marked hydrophobic character. The reaction time is very short, of the order of a few minutes (while the prior methods of EP 0.647.652 and US 5,596,085 require a period of 4 hours to transesterify a sucrose derivative) which further increases the unexpected result. Given this short reaction time, the continuous implementation of the process, and the absence of solvent in the reactive medium, the process of the invention benefits from good industrial profitability linked to the added value that '' give the treated product its hydrophobic properties. It is further noted that the cellulosic or starchy chain of the starting material remains practically intact and that only certain alcohol functions are transformed. The cellulosic materials treated in accordance with the invention can be used for the manufacture of building or furnishing materials, or cushioning materials, capable of remaining in a humid or aqueous atmosphere while retaining good dimensional stability. These hydrophobic cellulosic materials can also be used in a divided state to selectively and rapidly absorb (100% fat in less than 2 minutes) the fatty substances contained in mixtures and aqueous solutions (dirty water, domestic effluents and industrial) or well in mixtures in the vapor state (kitchen vapors, industrial vapors) or in solids. In addition, they have the property of being able to break water-fat emulsions and even to work continuously because the fats absorbed from the emulsion can coalesce in the filter and rise to the surface of the mixture to be recovered continuously by skimming. . The cellulosic fibers treated according to the invention also have the advantage of being biodegradable and reusable for a new absorption after extraction of the fatty substance without significant loss of their absorption capacity. They can also be used to make cigarette filters capable of more selectively retaining tar and nicotine compounds of lipophilic nature. Furthermore, the starchy materials treated in accordance with the invention can be used to manufacture packaging films that are not very sensitive to humidity or as an additive in the food, pharmaceutical and paint industries. They can also be used as a biodegradable support for active material, benefiting from a longer degradation time in a humid atmosphere. The active ingredient can be mixed after the esterification or transesterification reaction in order to impregnate the starchy fatty ester obtained. This mixing is advantageously carried out in the twin-screw device in a cooling zone situated between the reaction zone and the withdrawal zone. It can thus be carried out continuously to lead to a very homogeneous final product. For example, the starchy fatty ester can serve as a herbicide support or a pest repellant: thanks to its hydrophobic nature, a period of effectiveness is longer in outdoor use than if hydrophilic starch was used.
Selon un mode de mise en œuvre préférentiel, on ajuste la proportion de réactif gras par rapport à la matière cellulosique ou amylacée dans une plage correspondant sensiblement à 0,5 P - 1,5 P, où P est la quantité de réactif gras correspondant à la stoéchiométrie de la réaction de greffage précitée. Cette mise en œuvre de la réaction dans des conditions voisines ou peu éloignées de la stoéchiométrie limite les quantités de réactifs utilisées et les quantités de sous-produits fabriqués, et permet un isolement plus facile de la cellulose ou de l'amidon hydrophobe obtenue (ester gras de cellulose ou d'amidon).According to a preferred embodiment, the proportion of fatty reagent relative to the cellulosic or starchy material is adjusted within a range corresponding substantially to 0.5 P - 1.5 P, where P is the amount of fatty reagent corresponding to the stoichiometry of the abovementioned grafting reaction. This implementation of the reaction under conditions close to or not far from the stoichiometry limits the quantities of reagents used and the quantities of manufactured by-products, and allows easier isolation of the cellulose or hydrophobic starch obtained (fatty ester of cellulose or starch).
La réaction de greffage peut être une esterification ou une transesterification et utiliser, dans le cas de la cellulose, aussi bien des catalyseurs acides que des catalyseurs basiques d'estérification ou de transesterification, et dans le cas de l'amidon, préférentiellement des catalyseurs basiques.The grafting reaction can be an esterification or a transesterification and use, in the case of cellulose, both acid catalysts and basic esterification or transesterification catalysts, and in the case of starch, preferably basic catalysts .
Dans le cas d'une transesterification, on utilise avantageusement un catalyseur de transesterification de la matière cellulosique ou amylacée, en particulier sels d'acides gras, K2C03, NaOH. Le réactif gras utilisé est alors de préférence un ou des esters d'acide gras du groupe suivant : méthyl octanoate, méthyl décanoate, méthyl dodécanoate, méthyl tétradodécanoate, méthyl hexadodécanoate, méthyl octadodécanoate, huiles végétales en particulier coprah ou palmiste. Dans le cas d'une esterification, on utilise pour la cellulose, un catalyseur acide ou basique d'estérification, avantageusement : NaOH, H2S04 ou acide p-toluènesulfonique et, pour l'amidon, essentiellement un catalyseur basique d'estérification, tel que NaOH. Le réactif gras utilisé est alors de préférence un ou des acides gras à chaîne aliphatique saturée ou insaturée comportant entre 8 et 20 atomes de carbone.In the case of transesterification, it is advantageous to use a catalyst for transesterification of the cellulosic or starchy material, in particular fatty acid salts, K 2 C0 3 , NaOH. The fatty reagent used is then preferably one or more fatty acid esters of the following group: methyl octanoate, methyl decanoate, methyl dodecanoate, methyl tetradodecanoate, methyl hexadodecanoate, methyl octadodecanoate, vegetable oils in particular coconut or palm kernel. In the case of an esterification, an acid or basic esterification catalyst is used for the cellulose, advantageously: NaOH, H 2 S0 4 or p-toluenesulfonic acid and, for the starch, essentially a basic esterification catalyst. , such as NaOH. The fatty reagent used is then preferably one or more fatty acids with a saturated or unsaturated aliphatic chain comprising between 8 and 20 carbon atoms.
Dans l'un et l'autre cas, le catalyseur est avantageusement utilisé sous forme solide et préalablement mélangé de façon homogène au réactif gras liquide, le mélange étant ensuite injecté dans le dispositif bi-vis. On simplifie ainsi les manipulations, tout en facilitant les dosages. Le catalyseur est de préférence dosé de façon que la proportion pondérale catalyseur/matière cellulosique ou amylacée soit sensiblement comprise entre 1 et 10 %.In both cases, the catalyst is advantageously used in solid form and previously mixed homogeneously with the liquid fatty reagent, the mixture then being injected into the twin-screw device. This simplifies handling, while facilitating dosing. The catalyst is preferably dosed so that the proportion by weight of catalyst / cellulosic or starchy material is substantially between 1 and 10%.
La température du milieu réactif est régulée dans la plage précitée par une régulation thermique de l'enceinte tubulaire du dispositif bi-vis ; cette enceinte peut en particulier être entourée par une enveloppe parcourue par un liquide caloporteur. La plage de température paraissant donner les meilleurs résultats est sensiblement : 190° C - 210° C. Le dispositif bi-vis utilisé dans la présente invention est en lui-même de type connu ; il peut en particulier comprendre, d'amont en aval, une zone d'imprégnation dotée de vis à pas direct, une zone d'estérification ou de transesterification dotée de vis à pas direct et de modules de malaxage, et une zone terminale de soutirage. En cas d'association de l'ester gras formé avec une matière active, le dispositif est complété par une zone de refroidissement située après la zone d'estérification ou de transesterification et dotée de moyens d'injection de la matière active en vue de l'imprégnation de l'ester gras de cellulose ou d'amidon. L'isolement final de l'ester gras de cellulose ou d'amidon peut de façon connue, être obtenu par extraction des autres constituants au moyen d'un solvant approprié, notamment éthanol et/ou éther éthylique ou mélange des deux. Un léger chauffage (environ 40° C à 50° C) en augmente l'efficacité. Il convient de souligner que ces solvants sont des solvants courants non toxiques et qu'ils sont utilisés une fois obtenue la réaction d'estérification ou de transesterification à l'extérieur du dispositif bi-vis (le procédé ne nécessitant l'addition d'aucun solvant dans le milieu réactionnel).The temperature of the reactive medium is regulated within the aforementioned range by thermal regulation of the tubular enclosure of the twin-screw device; this enclosure can in particular be surrounded by an envelope traversed by a heat transfer liquid. The temperature range which seems to give the best results is appreciably: 190 ° C - 210 ° C. The twin-screw device used in the present invention is in itself of known type; it can in particular comprise, from upstream to downstream, an impregnation zone provided with direct pitch screws, an esterification or transesterification zone provided with direct pitch screws and kneading modules, and a terminal withdrawal zone . If the fatty ester formed is combined with an active material, the device is supplemented by a cooling zone situated after the esterification or transesterification zone and provided with means for injecting the active material with a view to l 'impregnation of the fatty ester of cellulose or starch. The final isolation of the fatty ester of cellulose or starch can, in known manner, be obtained by extraction of the other constituents by means of an appropriate solvent, in particular ethanol and / or ethyl ether or mixture of the two. A slight heating (about 40 ° C to 50 ° C) increases the efficiency. It should be emphasized that these solvents are common non-toxic solvents and that they are used once the esterification or transesterification reaction has been obtained outside the twin-screw device (the process not requiring the addition of any solvent in the reaction medium).
L'invention est illustrée par les exemples qui suivent dont la réaction de transesterification à été mise en œuvre dans un dispositif bi-vis tel que représenté aux dessins ; sur ces dessins :The invention is illustrated by the following examples, the transesterification reaction of which has been carried out in a twin-screw device as shown in the drawings; on these drawings:
- la figure 1 est une représentation longitudinale symbolique dudit dispositif bi-vis,FIG. 1 is a symbolic longitudinal representation of said twin-screw device,
- la figure 2 en est une coupe transversale par un plan AA'. Le dispositif a été réalisé à partir de modules commercialisés par la société "CLEXTRAL" (marque déposée) sous la référence générale "BC21". Chaque module comprend une enceinte tubulaire à double paroi 1 et 2 qui permet une régulation thermique du cœur de l'enceinte où sont logés les organes actifs. Certains modules sont du type comprenant deux vis identiques copénétrantes, d'autres du type comprenant des malaxeurs de cisaillement composés de disques bilobes ou de disques malaxeurs. Les divers modules sont entraînés en rotation en synchronisme par un moteur électrique 3 permettant d'obtenir une vitesse de rotation de son arbre de sortie pouvant atteindre 600 tr/min. Dans les exemples, la vitesse de rotation choisie est de 300 tr/min.- Figure 2 is a cross section through a plane AA '. The device was produced from modules sold by the company "CLEXTRAL" (registered trademark) under the general reference "BC21". Each module includes a tubular double-walled enclosure 1 and 2 which allows thermal regulation of the core of the enclosure where the active organs are housed. Some modules are of the type comprising two identical co-penetrating screws, others of the type comprising shear mixers composed of bilobe discs or kneader discs. The various modules are rotated in synchronism by an electric motor 3 making it possible to obtain a speed of rotation of its output shaft which can reach 600 rpm. In the examples, the rotational speed chosen is 300 rpm.
Le dispositif comprend essentiellement les zones fonctionnelles suivantes (d'amont en aval) : - une zone dite d'imprégnation Z1} comprenant une trémie 4 d'alimentation en matières cellulosiques ou amylacées, un conduit 5 doté d'une pompe 6 pour l'injection du mélange réactif gras/catalyseur préalablement préparé et quatre modules de bi-vis à pas direct tels que 7,The device essentially comprises the following functional zones (from upstream to downstream): - a so-called impregnation zone Z 1} comprising a hopper 4 for supplying cellulosic or starchy materials, a conduit 5 provided with a pump 6 for the injection of the fatty reagent / catalyst mixture previously prepared and four direct screw twin screw modules such as 7,
- une zone dite d'estérification ou de transesterification Z2, combinant des modules de malaxage tels que 8 et des modules de bi-vis à pas direct tels que 9,a so-called esterification or transesterification zone Z 2 , combining kneading modules such as 8 and direct pitch twin-screw modules such as 9,
- et une zone terminale de soutirage Z3 comprenant un module MEL 10 de bi-vis à pas direct 11 et une sortie 12 du mélange pâteux.- And a terminal draw-off zone Z 3 comprising a MEL module 10 of twin screw with direct pitch 11 and an outlet 12 of the pasty mixture.
En l'exemple, la zone d'imprégnation Z combine quatre modules de bi-vis à pas direct 7, ayant des pas décroissants du premier au quatrième. Dans cette zone, les bi-vis à pas décroissant réalisent le convoyage, le malaxage et le mélange des matières solides cellulosiques ou amylacées et des réactifs gras et catalyseur injectés sous forme liquide.In the example, the impregnation zone Z combines four direct-screw twin screw modules 7, having decreasing steps from the first to the fourth. In this zone, the twin screws with decreasing pitch carry out the conveying, kneading and mixing of the cellulosic or starchy solid materials and the fatty reagents and catalyst injected in liquid form.
En l'exemple, la zone d'estérification ou de transesterification combine six modules bi-vis à pas directs tels que 9 qui assurent le convoyage et le malaxage des matières, et deux modules de malaxage 8 qui soumettent les matières à un cisaillement. Ces modules de malaxage sont constitués de disques bilobes et de disques malaxeurs. Dans cette zone, s'opère la réaction d'estérification ou de transesterification de la matière cellulosique ou amylacée.In the example, the esterification or transesterification zone combines six direct-screw twin-screw modules such as 9 which provide the conveying and mixing of the materials, and two mixing modules 8 which subject the materials to shearing. These mixing modules are made up of two-lobe discs and mixing discs. In this zone, the esterification or transesterification reaction of the cellulosic or starchy material takes place.
EXEMPLE 1 :EXAMPLE 1:
Dans cet exemple, la matière cellulosique traitée est de la sciure de bois de pin.In this example, the cellulosic material treated is sawdust from pine wood.
Cette matière est traitée au moyen d'un réactif gras constitué d'huile de palmiste dont la répartition des chaînes grasses est la suivante :This material is treated with a fatty reagent consisting of palm kernel oil, the distribution of the fatty chains of which is as follows:
C6 : 0,3 % CM : 15,8 % C8 : 3,7 % C,6 : 8,6 %C 6 : 0.3% C M : 15.8% C 8 : 3.7% C, 6 : 8.6%
C10 : 3,4 % C18 : 21,9 %C 10 : 3.4% C 18 : 21.9%
C12 : 46 % C20 : 0,3 %C 12 : 46% C 20 : 0.3%
Seules les chaînes en C18 sont monoinsaturées (C18 : 1) entre 12 et 18 %, et diinsaturées (C18 : 2) entre 1 et 4 %.Only the C 18 chains are monounsaturated (C 18 : 1) between 12 and 18%, and diunsaturated (C 18 : 2) between 1 and 4%.
Le catalyseur d'estérification utilisé est un mélange de sels potassiques d'acide gras (composition molaire : 20 % palmitique, 40 % myristique, 40 % laurique). Ce mélange a été préparé par réaction à 110° C entre une solution aqueuse saturée de potasse (4,1 eq) et un mélange d'acides gras : myristique (C14) (3 eq) et laurique (C12) (1 eq). Après deux heures de réaction sous agitation, les sels sont séchés sous vide pendant 48 heures.The esterification catalyst used is a mixture of potassium fatty acid salts (molar composition: 20% palmitic, 40% myristic, 40% lauric). This mixture was prepared by reaction at 110 ° C between a saturated aqueous solution of potassium hydroxide (4.1 eq) and a mixture of fatty acids: myristic (C 14 ) (3 eq) and lauric (C 12 ) (1 eq ). After two hours of reaction with stirring, the salts are dried under vacuum for 48 hours.
Les sels précités sous forme de cristaux solides sont préalablement mélangés au réactif gras précité de façon à obtenir dans le dispositif bi-vis les proportions pondérales indiquées ci-après ; le débit de matière cellulosique (sciure) introduit dans le dispositif bi-vis est de 20 kg/heure et la vitesse de rotation de vis de 300 tours par minute.The abovementioned salts in the form of solid crystals are mixed beforehand with the abovementioned fatty reagent so as to obtain in the twin-screw device the weight proportions indicated below; the flow rate of cellulosic material (sawdust) introduced into the twin-screw device is 20 kg / hour and the screw rotation speed of 300 revolutions per minute.
Conditions de l'exemple :Example conditions:
- ratio sels catalyseurs/sciure : 0,1 kg/kg,- catalyst salt / sawdust ratio: 0.1 kg / kg,
- ratio réactif gras/sciure : 3 kg/kg (ratio correspondant à la stoéchiométrie 1 P),- fatty reagent / sawdust ratio: 3 kg / kg (ratio corresponding to stoichiometry 1 P),
- température dans la zone de mixage à l'entrée du dispositif bi-vis : 135° C,- temperature in the mixing zone at the entry of the twin-screw device: 135 ° C,
- température dans la zone de transesterification : 200° C,- temperature in the transesterification zone: 200 ° C,
- temps de séjour des matières : 90 secondes. La pâte obtenue à la sortie du dispositif bi-vis est traitée à l'éthanol chaud et à l'éther (procédé "Soxhlet") en vue d'isoler et purifier l'ester cellulosique solide.- material residence time: 90 seconds. The paste obtained at the outlet of the twin-screw device is treated with hot ethanol and ether ("Soxhlet" process) in order to isolate and purify the solid cellulose ester.
La teneur en fonctions esters est déterminée par saponification avec de la NaOH. Le taux d'ester obtenu, exprimé en milliéquivalents d'ester par kg de matière cellulosique traitée est de 800 meq/kg.The content of ester functions is determined by saponification with NaOH. The rate of ester obtained, expressed in milliequivalents of ester per kg of cellulosic material treated is 800 meq / kg.
Le caractère hydrophobe des échantillons issus de la réaction de transesterification a été évalué grâce à la mesure de l'angle de contact statique : θ. Il est égal à 95° dans cet exemple, ce qui caractérise un caractère hydrophobe marqué.The hydrophobic nature of the samples resulting from the transesterification reaction was evaluated by measuring the contact angle static: θ. It is equal to 95 ° in this example, which characterizes a marked hydrophobic character.
EXEMPLE 2 :EXAMPLE 2:
Cet exemple a été mis en œuvre dans les mêmes conditions que l'exemple 1 mais en utilisant comme catalyseur du carbonate de potassium K2C03.This example was carried out under the same conditions as Example 1 but using potassium carbonate K 2 C0 3 as catalyst.
Taux d'ester obtenu : 700 meq/kg. θ : 93°.Ester rate obtained: 700 meq / kg. θ: 93 °.
EXEMPLE 3 (APPLICATION : De la sciure de bois de pin a été traitée selon le procédé de la présente invention et plus particulièrement selon l'Exemple 1. Elle a été utilisée pour la fabrication d'un composite bois-plastique, composé de 70 parts d'un co-polymère polypropylène-polyéthylène (PP-PE) commercial et de 30 parts de sciure hydrophobe. Pour comparaison, des blancs (des composites bois- plastique mais avec de la sciure non traitée chimiquement) ont été fabriqués dans les mêmes proportions (70/30). Les mesures sur 10 échantillons ont donné les résultats suivants :EXAMPLE 3 (APPLICATION: Pine sawdust was treated according to the process of the present invention and more particularly according to Example 1. It was used for the manufacture of a wood-plastic composite, composed of 70 parts a commercial polypropylene-polyethylene (PP-PE) co-polymer and 30 parts of hydrophobic sawdust. For comparison, blanks (wood-plastic composites but with sawdust not chemically treated) were produced in the same proportions (70/30) Measurements on 10 samples gave the following results:
Module de Young (E) du co-polymère vierge : 1244 ± 26 MPa E du composite bois non traité-copolymère : 1580 ± 40 MPa E du composite bois hydrophobe-copolymère : 1730 ± 42 MPaYoung's modulus (E) of the virgin co-polymer: 1244 ± 26 MPa E of the untreated wood-copolymer composite: 1580 ± 40 MPa E of the hydrophobic wood-copolymer composite: 1730 ± 42 MPa
Une amélioration statistiquement significative du module élastique est donc constatée par rapport aux matériaux composites utilisant de la sciure de bois sans traitement chimique. Ceci est sans doute dû à la meilleure compatibilité que le bois hydrophobe présente avec la matrice polymère à caractère lipophile. A statistically significant improvement in the elastic modulus is therefore observed compared to composite materials using sawdust without chemical treatment. This is undoubtedly due to the better compatibility that hydrophobic wood has with the lipophilic polymer matrix.

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Procédé de fabrication d'un ester gras de cellulose ou d'amidon par esterification ou transesterification d'une matière cellulosique ou amylacée à l'aide d'un réactif gras comprenant un acide gras ou un ester d'acide gras ayant un ou plusieurs groupements acyles possédant chacun au moins 6 atomes de carbone, dans lequel on amène la matière cellulosique ou amylacée et le réactif gras à réagir à chaud en présence d'un catalyseur d'estérification ou de transesterification en vue de réaliser la réaction de greffage : Poly - OH + réactif gras -> Poly - O - CO - R + sous-produit (où Poly représente la chaîne polymère de la matière cellulosique ou amylacée), ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit la matière cellulosique ou amylacée à l'état solide divisé, le réactif gras et le catalyseur dans un dispositif bi-vis comprenant deux vis co- pénétrantes tournant à l'intérieur d'une enceinte tubulaire portée à une température sensiblement comprise entre 180° C et 230° C en vue de soumettre le mélange réactif à un traitement thermomécanique pendant la réaction d'estérification ou de transesterification, l'on soutire le mélange pâteux obtenu après un temps de séjour dans le dispositif bi-vis compris entre 1 et 30 minutes, et l'on isole l'ester gras de cellulose ou d'amidon solide obtenu par extraction au solvant des autres constituants du mélange pâteux. 2/ - Procédé selon la revendication 1 dans lequel on ajuste la proportion de réactif gras par rapport à la matière cellulosique ou amylacée dans une plage correspondant sensiblement à 0,5 P - 1,5 P, où P est la quantité de réactif gras correspondant à la stoéchiométrie de la réaction de greffage précitée. CLAIMS 1 / - Method for manufacturing a fatty ester of cellulose or starch by esterification or transesterification of a cellulosic or starchy material using a fatty reagent comprising a fatty acid or a fatty acid ester having one or more acyl groups each having at least 6 carbon atoms, in which the cellulosic or starchy material and the fatty reagent are brought to react hot in the presence of an esterification or transesterification catalyst in order to carry out the reaction of grafting: Poly - OH + fatty reagent -> Poly - O - CO - R + by-product (where Poly represents the polymer chain of cellulosic or starchy material), said process being characterized in that the cellulosic material is introduced or starch in the divided solid state, the fatty reagent and the catalyst in a twin-screw device comprising two co-penetrating screws rotating inside a tubular enclosure brought to a temp rature substantially between 180 ° C and 230 ° C in order to subject the reactive mixture to a thermomechanical treatment during the esterification or transesterification reaction, the pasty mixture obtained is drawn off after a residence time in the bi-device. screws between 1 and 30 minutes, and the fatty ester of cellulose or solid starch obtained is extracted by solvent extraction from the other constituents of the pasty mixture. 2 / - Method according to claim 1 wherein the proportion of fatty reagent is adjusted relative to the cellulosic or starchy material in a range corresponding substantially to 0.5 P - 1.5 P, where P is the amount of corresponding fatty reagent to the stoichiometry of the abovementioned grafting reaction.
3/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2 mettant en jeu une réaction de transesterification de la matière cellulosique ou amylacée, dans lequel on utilise un catalyseur de transesterification basique, en particulier sels d'acides gras, K2C03, NaOH.3 / - Manufacturing process according to one of claims 1 or 2 involving a transesterification reaction of the cellulosic or starchy material, in which a basic transesterification catalyst is used, in particular fatty acid salts, K 2 C0 3 , NaOH.
4/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 mettant en jeu une réaction d'estérification d'une matière cellulosique, dans lequel on utilise un catalyseur d'estérification acide ou basique, en particulier NaOH, H2S04, acide p-toluènesulfonique. 5/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 mettant en jeu une réaction d'estérification d'une matière amylacée, dans lequel on utilise un catalyseur d'estérification basique, en particulier NaOH.4 / - Method according to one of claims 1 or 2 involving an esterification reaction of a cellulosic material, in which an acid or basic esterification catalyst is used, in particular NaOH, H 2 S0 4 , acid p-toluenesulfonic. 5 / - Method according to one of claims 1 or 2 involving an esterification reaction of a starchy material, in which a basic esterification catalyst is used, in particular NaOH.
6/ - Procédé selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, dans lequel on utilise un catalyseur sous forme solide préalablement mélangé de façon homogène au réactif gras liquide, le mélange étant ensuite injecté dans le dispositif bi-vis.6 / - Process according to one of claims 3, 4 or 5, in which a catalyst is used in solid form previously mixed homogeneously with the liquid fatty reagent, the mixture then being injected into the twin-screw device.
7/ - Procédé selon la revendication 6, dans lequel on ajuste la quantité de catalyseur injectée dans le dispositif bi-vis de façon que la proportion pondérale catalyseur/matière cellulosique ou amylacée soit sensiblement comprise entre 1 et 10 %.7 / - Process according to claim 6, in which the quantity of catalyst injected into the twin-screw device is adjusted so that the proportion by weight of catalyst / cellulosic or starchy material is substantially between 1 and 10%.
8/ - Procédé selon la revendication 3, dans lequel on utilise comme réactif gras un ou des esters d'acides gras du groupe suivant : méthyl octanoate, méthyl décanoate, méthyl dodécanoate, méthyl tétradodécanoate, méthyl hexadécanoate, méthyl octadécanoate, huiles végétales en particulier coprah ou palmiste.8 / - Process according to claim 3, in which a fatty acid ester or esters of the following group are used as fatty reagent: methyl octanoate, methyl decanoate, methyl dodecanoate, methyl tetradodecanoate, methyl hexadecanoate, methyl octadecanoate, vegetable oils in particular copra or palm kernel.
9/ - Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel on utilise comme réactif gras un ou des acides gras à chaîne aliphatique saturée ou insaturée comportant entre 8 et 20 atomes de carbone. 10/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on utilise un dispositif bi-vis comprenant deux vis co-pénétrantes enveloppées dans une enceinte tubulaire thermorégulée à une température comprise entre 190° et 210° C.9 / - Method according to one of claims 4 or 5, wherein one uses as fatty reagent one or more fatty acids with aliphatic chain saturated or unsaturated having between 8 and 20 carbon atoms. 10 / - Method according to one of the preceding claims wherein a twin-screw device is used comprising two co-penetrating screws wrapped in a thermoregulated tubular enclosure at a temperature between 190 ° and 210 ° C.
11/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif bi-vis comprenant, d'amont en aval, une zone d'imprégnation (Z ) dotée de vis à pas direct (7), une zone d'estérification ou de transesterification (Z2) dotée de vis à pas direct (9) et de modules de malaxage (8), et une zone terminale de soutirage (Z3).11 / - Method according to one of the preceding claims characterized in that a twin-screw device is used comprising, from upstream to downstream, an impregnation zone (Z) provided with direct pitch screws (7), a esterification or transesterification zone (Z 2 ) provided with direct pitch screws (9) and kneading modules (8), and a terminal withdrawal zone (Z 3 ).
12/ - Procédé selon la revendication 1 1, caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif bi-vis dans lequel la zone d'imprégnation comprend plusieurs vis de pas différents décroissant vers l'aval. 13/ - Procédé selon l'une des revendications 1 1 ou 12, caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif bi-vis comprenant, entre la zone d'estérification ou de transesterification et la zone de soutirage, une zone de refroidissement dotée de moyens d'injection d'une matière active, en vue de l'imprégnation de l'ester gras de cellulose ou d'amidon formé.12 / - Method according to claim 1 1, characterized in that a twin-screw device is used in which the impregnation zone comprises several screws of different pitch decreasing downstream. 13 / - Method according to one of claims 1 1 or 12, characterized in that a twin-screw device is used comprising, between the esterification or transesterification zone and the withdrawal zone, a cooling zone provided with means for injecting an active material, with a view to impregnating the fatty ester of cellulose or of formed starch.
14/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on isole l'ester gras de cellulose ou d'amidon par extraction des autres constituants à l'éthanol, à l'éther éthylique ou avec un mélange des deux. 14 / - Method according to one of the preceding claims, wherein the fatty ester of cellulose or starch is isolated by extraction of the other constituents with ethanol, ethyl ether or with a mixture of the two.
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