SE458034B - Process foer framstaellning av sulfonerade ligniner - Google Patents

Description

i 458 034 10 15 20 25 30 n Ett antal teknologiska utvecklingar har resulterat i nya me- toder och processer för att modifiera sulfonerade ligniner för att reducera de negativa aspekterna med att nyttja såda- na material som färgdispergeringsmedel utan att samtidigt orsaka nägra allvarliga negativa effekter'pá de egenskaper som gör sulfonerade ligniner lämpade som fär gämnesdisperge- ringsmedel.

US patentet 4,00l,202, som nämner som en medupp- finnare den ende uppfinnaren till denna ansökan, beskriver en process för framställning av en sulfonerad ligning med för- bättrade fibermissfärgningsegenskaper användbar såsom färg- dispergeringsmedel, genom att reagera en sådan lignin med en epihalohydrin. Även US patentet 4,338,091, härrörande från uppfinnaren till denna uppfinning, visar reaktion av en modi- fierad lignin med natriumsulfit och en aldehyd. Ligninet är emellertid modifierat genom en förbehandling med natriumdi- tionat, varför den efterföljande reaktionen inte avser lig- ningmaterialet enligt föreliggande uppfinning.

Ytterligare exempel pà reagering eller modifiering av ligni- ner för att göra dem mer lämpliga som färgdispergeringsmedel är US patenten 4,l84,845, 4,l3l,564, 3,l56,S20, 3,094,Sl5, 3,726,8S0, 2,680,ll3 och 3,769, 272. Den åberopade tekniken är avsedd att visa teknikens ståndpunkt och inte att full- ständigt täcka ligninmodifièringarna. Även om metoderna beskrivna ovan för behandling och framställ- ning av ligniner erbjuder viss fördel under färgning, har ingen av den givit en produkt som ger samma förbättring som ges av produkterna framställda genom föreliggande process.

Huvudändamálet med föreliggande uppfinning är att ge en process där sulfonerade ligniner eller lignosulfonater kan framstäl- las med förbättrad användbarhet som färgdisponeringsmedel. 10 15 20 25 458 034 Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att ge en process för reducering av viskositeten hos sulfonerade ligni- ner eller lignosulfonater.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att ge en process för förbättring av värmestabiliteten hos sul- fonerade ligniner eller lignosulfonater.

Andra ändamål, kännetecken och fördelar med föreliggande upp- finning framgår av nedanstående detaljerade beskrivning av uppfinningen.

Man har funnit att viskositeten hos sulfonerade ligniner an- vändbara såsom färgdispergeringsmedel i färgämneskompositio- ner kan reduceras med förbättring i värmestabilitetsegenska- perna hos ligninet genom avlägsning av làgmolekylära delar hos ligninet och reaktion av ligninmaterialet med natrium- sulfit (Na2S03) och en aldehyd vid ett lågt pH.

Lignin erhålles ur använd kokvätska, känd som svartlut, vid pappersmassaindustrin, där lignocellulosamaterial såsom trä, halm, stjälkar, bagass (sockeravfall) och liknande behandlas för att separera cellulosa och massa från ligninet. Ligniner använda i processen enligt-denna uppfinning erhålles före- trädesvis från kraftpappersmassaprocessen, där det naturliga ligninet förekommer som ett natriumsalt. Vid kraftmassatill- verkningen utsätts träazför effekter av stark alkali. Ligni- net i denna process bildar ett lösligt natriumsalt som är se- parerat från cellulosan och löser sig i kokvätskan. Ligninet àtervinnes från den använda kokvätskan, känd som svartlut, genom'surgöring.

Surgöring av svartluten innehållande ligningsaltet är följd av införseln av koldioxid. Vid tillförsel av koldioxid till 458 034 10 15 20 25 30 Q svartluten omvandlas fenolhydroxidgru kylen, som är i joniserad form, syraform. pperna på ligninmole- till deras fria fenol- eller Denna omvandlmr;gör ligninet olösligt i svartlu- ten och som ett resultat av detta faller det ut.

Ligninerna i svartluten finns vid olika molekylvikter. Lig- niner med en molekylvikt på cirka S 000 eller mindre har be- funnits påverka värmestabiliteten hos efterföljande sulfone- rade ligninmaterial negativt. När föreliggande uppfinning tillämpas sker surgöringen av den alkaliska svartluten som innehåller ligninsaltet vid ett pH där allt utom en försum- bar mängd av ligniner med en molekylvikt på cirka 5000 eller mindre inte fälls ut med de högmolekylära ligningprodukterna och därför stannar kvar i lösning med svartlut. Generellt sett bör denna selektiva surgöring av svartlut för att avlägs- na ligninerna ske vid ett pH mellan 9,7 till 11,0 för att mi- nimera mängden avlägsnade ligniner med molek ylvikter på 5000 eller mindre.

Företrädesvis bör surgöringen ske vid ett pH mellan 10,0 och 11,0 så att i huvudsak inga ligniner med mo- lekylvikter pá 5000 eller mindre avlägsnas från svartluten.

Alkaliligninerna átervinns vanligtvis från svartlut som vat- tenolösliga produkter genom denna utfällningsprocedur. nin erhållet från kraft, sqda eller andra alkaliska proces- ser till vilka föreliggande uppfinning riktar sig återvinns inte som en sulfonerad produkt, Lig- men sulfoneras lätt genom att låta sådant material reagera med en bisulfit eller sulfit.

En sulfonerad lignin är varje ligning som innehåller åtmin- stone en effektiv mängd sulfonerade grupper för att ge vat- tenlöslighet i måttligt sura lösningar och vid höga pH.

Nästa steg i att utveckla ett ligninbaserat färgdispergerings- medel är att på lämpligt sätt sulfonera ligninet. aktas att graden av sulfonering av ett lignin är p nell mot lösligheten hos detta lignin i en vattenl viskositeten hos ett sådant lignin.

Det bör be- roportio- ösning och 10 15 20 25 30 458 034 ~ ~Ett av de konventionella sätt att sulfonera ett lignin in- nefattar sulfometylering av alkaliskt lignin genom att rea- gera sádant lignin med natriumsulfit och formaldehyd. Denna process nämns av E. Adler et al i US patentet 2 680 113. Sul- fometylering inverkar pà aromatkärnan hos ligninmolekylen på ett sådant sätt att -CH2S03H grupperna är bundna till en sådan kärna. Adler visar att behandlingen av ligninet med dessa sulfoneringsmedel utföres inom ett temperaturintervall fran 5o°c till 2oo°c, lämpligen so°c till l7o°c, företrädes- vis 100°C till l60°C. Kvantiteten använd sulfit, beräknad som vattenfri natriumsulfit, kan variera från cirka 20 pro- cent till 100 procent av kvantiteten vattenfritt lignin och kvantiteten aldehyd är ekvivalent med kvantiteten sulfit el- ler lägre, ner till ca 1 procent, beräknad på kvantiteten vattenfritt ligninmaterial.. Behandlingen utföres företräds- vis i en alkalisk lösning.

När föreliggande uppfinning tillämpas behandlas alkaliligni- net med vatten för att bilda en uppslamning. Till uppslam- ningen tillsättes sulfometyleringsmedel, t ex natriumsulfit och formaldehyd. Förhållandet natriumsulfit till formaldehyd 'ligger mellan 1,l:0,1 och 2,5:l,Ö, företrädesvis 1,3:O,8.

Man har funnit att tillsats av ett överskott av natriumsulfit i förhållande till formaldehyd ger en sulfonerad ligninpro- dukt med reducerad molekylvikt.

När formaldehyd och natriumsulfit kombineras i stökiometriska mängder bildar de nästan omedelbart ett hydroximetansulfonat, vilket i sin tur reagerar med ligninet för att bilda sulfone- rade ligninderivat. Hydroxymetansulfonatintermidiatet exi- sterar bara till 90 procent i önskad form, medan l0 procent av reaktanterna är närvarande hela tiden. Ett problem med att ha 10 procent av reaktanterna närvarande är att formalde- hyd genomgår kopplingsreaktioner med ligninet som sulfomety- lerats. Det skulle därför vara en fördel att ha en så liten 458 034 10 15 20 25 30 -mängd oreagerad formaldehyd som möjligt i u reaktionsblandningen.

Detta kan uppnås genom att variera molförhállandet mellan na- triumsulfit och formaldehyd. Ökning av mflförhàllandet natrium- sulfit till formaldehyd resulterar i alstringen av en större mängd hydroximetansulfonatintermediat på bekostnad av äter- stàende mängder oreagerad formaldehyd. De ökade kvantiterna av natriumsulfit resulterar i en lägre grad av polymerisering och därmed ett sulfonerat lignin med en lägre molekylvikt.

Tidigare tillsattes natriumsulfiten och formaldehyden till en ligninlösning med ett initial-pH på cirka 9,0. Tillsatsen av sulfoneringsmedlen skulle höja pH hos den resulterande sulfo- nerade ligninglösningen till en ännu högre nivå. När före- liggande uppfinning tillämpas utsätts det utfällda ligninet för en syratvättningsprocedur, företrädesvis med svavelsyra, och torkas för att producera ett ligninmate- rial med pH mellan cirka 1,5 och cirka 5,0. Ligninet förs samman med vatten för att bilda en uppslamning med cirka 25 procent torrsubstans. Ligninet finns vid detta pH- intervall i utfälld form. Om ligninuppslamningens pH är under 5, juste- ras pH till cirka 5,0 genom'användandet av natriumhydroxid. " vid denna punkt tillsättes natriumsulfit för att höja initial- -pH hos reaktionsblandningen till mellan cirka 7,0 och 7,5.

Sulfoneringen inträffar med tillsatsen av formaldehyd som höjer pH hos uppslamningen till mellan cirka 8,0 och 9,2.

Uppslamningens temperatur sätts sedan inom ett intervall från cirka 13o°c till cirka 17s°c, där den föredragna temperatu- ren är cirka l40°C.

Temperaturen hâlles under en tidsperiod som sträcker sig från cirka 30 minuter till 12 timmar, där den mest föredragna tiden är Cirka 2 timmar.

Användandet av lågt pH och lágtemperatur har tvâ fördelar.

Den ena är att det är mindre sannolikt att ligninet upplöses under dessa betingelser än under normala reaktionsbetingelser. 10 15 20 25 30 458 034 Det faktum att sulfoneringen inträffar vid ett lågt pH bety- der att den resulterande sulfonerade ligninprodukten kommer att ha ett lägre pH än vad som annars skulle uppnås.

När sulfonerade ligniner används som färgdispergeringsmedel är det föredraget att pH hos sådana ligniner ligger mellan cirka 4 och cirka 8. Om ett lignin är sulfonerat vid ett högt pH kommer det resulterande sulfonerade ligninet att ha ett högt pH. För att en färgare skall kunna använda ett så- dant sulfonerat lignin måste färgaren tillsätta en syra till ligninet för att sänka pH, vilket ger tillkommande kostnader.

Genom att sulfonera ligninet vid ett lågt pH erhålles ett sulfonerat lignin vilket inte kräver användandet av syra för att göra det lämpligt som färgdisperingsmedel.

Elimineringen av behovet att nyttja en syra för att sänka pH hos sulfonerat lignin för att använda det som dispergerings- medel har en ytterligare fördel förutom kostnaden. Användan- det av en syra för att sänka pH resulterar normalt i produk- tion av en elektrolyt. Närvaron av en elektrolyt i det sul- fonerade ligninet har en tendens att på negativt sätt pá- verka värmestabiliteten hos speciella färgprodukter som inne- håller sådant lignin som dispergeringsmedel. Elimineringen av behovet att tillsätta syra till det sulfonerade ligninet medför att problem förbundna med närvaron av elektrolyter undkommes.

De sulfonerade ligninerna framställda i enlighet med förelig- gande uppfinning kan utnyttjas som dispergeringsmedel i färg- ämnessammansättningar. Mängden dispergeringsmedel som krävs varierar beroende på den speciella färgkakan,materialet som skall färgas och den önskade effekten. Mängder pà upptill 75 procent dispergeringsmedel baserade på vikten hos torkad kaka, kan användas. Den viktigaste faktorn för att bestämma '458 034 10 15 20 25 30 n den riktiga mängden dispergeringsmedel i kompositioner för att göra färgmedlet är speciellt den använda färgkakan. Denna mängd varierar i allmänhet från färg till färg.

Nedanstående är endast exempel och skall inte tolkas som be- gränsningar av uppfinningen.

Exempel 1 __:______-__ Lignin isoleras från använd kokvätska från kraftmassaproces- sen genom surgöring av kokvätskan under varierande pH- beting- elser sà som visas i tabell l.

Det isolerade ligninet syra- tvättas med svavelsyra till ett pH på cirka 5,0.

En uppslam- ning av lignin med 25 procent fastsubstans prepareras ge- nom att blanda det återvunna ligninet med vatten. Natriumsul- fit tillsättes uppslamningen vid ett pH på cirka 5,0. For- maldehyd följer tillsatsen av natriumsulfit i tät fö1jd.Efter tillsats av båda sulfometyleringsingredienserna aktionsblandningen 8,6-9,2 och temperaturen justerades till 7o°c. Efter en timme höjdes temperaturen till 14o°c een hölls där under 2 timmar. var pH hos re- Viskositeterna hos de sulfonerade ligninprodukterna erhållna från vart och ett av ekemplen bestämdes och finns de i tabell 1. rade rapportera- Värmestabilitetsegenskaperna hos de sulfone- ligninprodukterna erhållna från vart och ett av exemp- len bestämdes också och finns angivna i tabell 1.

Viskositeten mättes genom uppvärmning av den sulfonerade lig- ninlösningen till cirka 70°C och långsam tillsättning av is- ättika tills ett pH på cirka 8 erhölls. Fastsubstanskoncen- trationen justerades till 25 procent. En Brookfield viskosi- meter (modell LVT) användes för alla mätningar.

Mätningarna ägde rum vid 25°C. 4ss]oz4 s Värmestabiliteten bestämdes genom att tillverka en färgämnes- komposition innehållande den sulfonerade ligninen. Färgkom- positionen framställes genom blandning av 50 gram Red I, 35 gram sulfonerat lignin, 125 milliliter vatten och 5 droppar EDTA (1 procent fastsubstans vid pH mellan 8,6 och 9,2). pH- värdet justerades till 8 med ättiksyra eller svavelsyra.Färg- kompositionen maldes i en kulkvarn till punkten där filtertes- ten för dispergerade färger passerades.

Värmestabiliteten mättes genom tillsats av 1 gram av fast färg- komposition till 250 milliliter vatten. Lösningen kokades un- der 15 minuter och filtrerades sedan genom ett tarerat Whatman filterpapper nr 2 över ett nr 4 (med vakuum) såsom specifice- 'ras i värmestabilitetstesten enligt American Association of Textile Chemist and Colorlists (AATCC). Filter- papperet torkades och det återstående färgmaterialet på fil- tret beräknades.

Uppgifterna i tabell I indikerar klart att det pH vid vilket lignin isoleras från svartluten har en väsentliq effekt på de sulfonerade ligninerna som därefter produceras. Förbättringar i viskositet och värmestabilitet hos de sulfonerade lignínerna är märkbara när det pH höjs vid vilket svartluten isoleras. x TABELL 1 Lignin Mol- Viskosi- Värme Isolerings förhållande tet vid pH stabili- pH från Na?S03 Start Slut 25% fast--J tet svartlut CHá0 pH pH substans Filter- rest (m9) 9.2 1.3/0.8 8.7 8.90 8,500.0 128.0 9.7 1.3/0.8 8.7 8.95 117.5 60.0 10.1 1.3/0.8 8.6 8.63 27.0 18.5 " 458 034 10 15 20 25 10 Lignin isolerades från använd kokvätska från kraftpappersmas- saprocessen genom surgöring av kokvätskan vid ett pH pà cirka 9,8. Det isolerade ligninet syratvättades med svavelsyra till ett pH pà cirka 5,0. En uppslamning av lignin med 25 procent fastsubstans framställes genom att tillsätta vatten till det återvunna ligninet. Natriumsulfit tillsattes till uppslam- ningen vid ett pH pâ cirka 5,0. Formaldehyd följde tillsat- sen av natriumsulfit i snabb följd. Efter tillsats av båda sulfometyleringsingredienserna justerades pH hos reaktions- blandningen fiD.o1ika nivåer visade i tabell II. Temperatu- ren hos reaktionsblandningen justerades till 70°C och hölls under sådana betingelser under 1 timme, varefter temperaturen höjdes 14o°c och höns där under 2 timm är.

Viskositeten hos den sulfonerade ligninprodukten resulterande från vart och ett av proverna bestämdes och finns angivna i tabell II. Viskositeten mättes i enlighet med sättet som an- ges i exempel 1.

Värmestabiliteten hos den sulfonerade ligninprodukten resulte- rande från vart och ett av proverna bestämdes och ses angivna i tbell II. Värmestabiliteten mättes i enlighet med sättet som anges i exempel l.

Uppgifterna i tabell II visar tydligt att det pH vid vilket sulfoneringen av ligninet inträffar i kombination med molför- hàllandet mellan sulfoneringsmedlen har en väsentlig effekt på de därefter framställda sulfonerade ligninerna. Förbätt- ringar i viskositet och värmestabilitet hos de sulfonerade ligninerna är märkbara. 458 034 ll _ TABELL II Moi- ._ _ _ förhållande Viskositet Varmestabllltet Na S 3 Start Slut vid pH Filterrest Cå pH pH 25% fastsub- (mg) stans 1.o/1.o 10.3 10.40 400.000 38.0* 1.0/1.0 9.9 10.65 400,000 18.5 1.3/0.8 8.6 8.70 27 18.0 1.4/0.7 8.9 9.25 23 26.7 1.5/0.5 9.0 9.40 22 103.0 2.0/1.15 9.6 9.80 24 302.0 *Lignin framställt)vid 100°C istället för 140 C Ovanstående exempel illustrerar utföringsformer av före1ig~ gande uppfinning, men givetvis omfattar uppfinningen av andra variationer och modifieringar som faller inom bifogade krav.

Claims (1)

1. i 458 034 10 15 20 25 30 12 PATENTKRAV 1. En process för framställning avsulfonerade ligniner,vil- ken process utgöres av reagering av ligninmaterial med en aldehyd och en sulfit utvald från den grupp som be- står av vattenlösliga sulfiter och bisulfiter, k ä n- n e t e c k n a d därav, att stegen i processen ut- göres av: 'I (a) selektiv isolering av ligninmaterialet från alkalisk svartlut genom reducering av svartlutens pH så att i huvudsak all lignin med molekylvikt pá 5000 eller mindre stannar kvar i lösning med svartluten, (b) surgöring av 'ligninmaterialet till ett pH på mellan cirka 1,5 och cirka 5,0 genom tvättning med sva- veflsyra följt av tillsättning av vatten till ligninma- terialet för att bilda en uppslamning med cirka 25 pro- cent fastsubstans, (c) tillsättning till ligninuppslamningen av sulfiten och aldehyden i molförhâllande mellan sulfit till al- dehyd på mellan cirka 1,1: 0,1 och cirka 2,5: 1,0, vil- ken tillsättning ger ett initial reaktion-pH pá mellan cirka 8,0 och cirka 9,2 och (d) höjning av_temperaturen hos reaktionen från god- tyckligt värde till mellan cirka 130°C och cirka 175°C under mellan 0,5 timmar och cirka 12 timmar. En process enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att _ligninmaterialet isoleras från svart- luten vid ett pH liggande mellan cirka 9,7 och cirka 11,0. En process enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k- n a d därav, att pH ligger mellan cirka 10,0 och cirka 11,0. 10 15 20 10. 458 034 13 n En process enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att den vattenlösliga sulfiten är na- triumsulfit och att aldehyden är formaldehyd. En process enligt patentkravet 4, k ä n n e t e C k- n a d därav, att molförhàllandet mellan natriumsul~ fit till formaldehyd är cirka l,3:0,8. En process enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k- n a d därav, att reaktionens initial-pH är cirka 8,6. En process enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k- n a d därav, att tillsatsen av sulfit och aldehyd sker efter varandra i nu nämnd ordning. En process enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k- n a d till 70°C under 1 timme efter steg(c) och före steg(d). därav, att reaktionstemperaturen först höjs En process enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k- n a d därav, att reaktionstemperaturen vid steg(d) är 14000 och att nämnda temperatur hàlles under 2 timmar. En process enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att ett pH-värde hos ligninuppslamningen som ligger under 5,0 höjs till 5,0 genom tillsats av natriumhydroxid.