WO2014012924A1 - Utilisation d'une lignine pour le renfort mecanique d'elastomere, et elastomere ainsi renforce - Google Patents

Utilisation d'une lignine pour le renfort mecanique d'elastomere, et elastomere ainsi renforce Download PDF

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Bouchra Benjelloun Mlayah
Michel Delmas
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    • C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L97/00—Compositions of lignin-containing materials
    • C08L97/005—Lignin

Definitions

  • the present invention relates to a novel use of a pure and non-degraded natural polyphenol biopolymer represented by a particular lignin - hereinafter lignin - for mechanical reinforcement in polymeric structures of elastomeric type.
  • the present invention also relates to an elastomer prepared by implementing the use according to the invention.
  • novel use according to the present invention resides in the implementation of a particular lignin derived from a vegetable raw material, in particular wheat straw, and which is composed of linear oligomers of low molecular weight which behave like the homologous oligomers and phenolic polymers.
  • Biolignine TM or “Lignin CIMV”
  • CIMV Process a process - hereinafter "CIMV Process” - perfectly controlled and described in particular in the patent document EP-B1 -1.180.171.
  • Biolignine TM The notion of purity and the native character of "Biolignine TM” can be summarized in particular by the following points: residual polysaccharide levels, mineral matter content, average molecular mass and distribution, rate of reactive functions (in particular hydroxyls), all these characteristics being obtained without special treatment.
  • this lignin has confirmed the potential of this lignin as an excellent substitute for carbon black for mechanical reinforcement in elastomeric polymeric structures.
  • the structure of the lignin described in this document is not defined, its physicochemical properties, for example in terms of specific surface area, and its functionality are fundamentally different from those of the prepared lignin and non-degraded lignin. the use according to the invention.
  • EP-A1-2,223,928 relate to the use of so-called “functionalized” lignin, all of which refer to chemically modified lignin in rubber-based compositions.
  • this document indicates an attempt to reduce the diameter of the particles to obtain a specific surface of between 3 and 5 m 2 / g.
  • this modification has not been satisfactory from the point of view of the results obtained and, on the other hand, it is still in attempts to use chemically modified lignins.
  • column 3, line 17 and following reference is made to a method of heating and chemical modification of lignin in order to obtain the lignin powder having a specific surface area of at least 20 m 2 / g.
  • US-A-3,984,362 relates to chemically modified lignin and especially to Examples 1 and 2 (see especially the added products for the preparation of lignin powder).
  • a lignin preparation by washing and re-precipitation at acidic pH before use in a mixture with the rubber, ie a preparation before use.
  • the lignin according to the use according to the invention differs in that it is not chemically modified and that its functional groups are "available".
  • the subject of the present invention is a use, for the mechanical reinforcement of elastomer-type polymers, of a lignin which is not chemically modified to the available functional groups which has a specific surface area of between 0.5 m 2 / g and 5 m 2 / g, and preferably between 1 m2 / g and 2.5 m2 / g.
  • said lignin has a low molecular weight and whose Mw is between 700 g / mol and 2000 g / mol;
  • said lignin has a polydispersity index equal to about
  • said lignin comprises available functional groups chosen from the group consisting of aliphatic hydroxyls, phenolic hydroxyls and carboxylic acids;
  • the aliphatic hydroxyls are present at a rate of 1.5 mmol / g at 3.0 mmol / g, preferably at a rate of 2.3 mmol / g;
  • the phenolic hydroxyls are present in a proportion of 1.1 mmol / g to 2.0 mmol / g, preferably at a content of not less than 1.1 mmol / g;
  • the carboxylic acids are present in a proportion of 0.5 mmol / g at 1.5 mmol / g, preferably at a content equal to approximately 1.0 mmol / g;
  • said lignin has a weight average particle diameter of between 5 microns and 100 microns, and preferably between 10 microns and 15 microns.
  • the invention also relates to an elastomer.
  • the invention also provides an elastomer incorporating a lignin used in a use according to the teachings of the invention.
  • the elastomer does not comprise carbon black.
  • FIG. 1 is a graph illustrating the distribution / particle size distribution of the particles of a "standard” Biolignine TM 500 microns;
  • Fig. 2 is a graph illustrating the particle size distribution / particle size distribution of a finely ground 15 micron Biolignine TM;
  • FIGS. 3 to 6 are microscopic views by Scanning Electron Microscopy of various mixtures according to the invention and / or reference products. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • a lignin powder was prepared as follows from a Biolignine TM obtained according to the CIMV Method: From a wheat straw Biolignine TM, a "fine” grinding was carried out using a ball mill and planetary mill, which has the following characteristics:
  • FIG. 1 The particle size distribution is illustrated in FIG. 1 of the drawings appended to the present description.
  • FIG. 2 also shows the particle size distribution of a "standard" Biolignine TM particle which has the following characteristics:
  • Particle size distribution 40% of the particles have a weight average particle diameter of between 350 microns and 1000 microns and 90% of the particles have a weighted average particle diameter of between 45 microns and 1000 microns.
  • the lignin powder was incorporated directly into a rubber by a roller mixer system.
  • the specific surface area has been measured according to the method known as "laser diffraction” confirmed by nitrogen adsorption (so-called “BET” method).
  • the molecular weight was determined according to the SEC method ("Size Exclusion Chromatography") Eluent THF, Detection "Refractometer", three columns in series 100, 500, 1000 Angstroms, in SDVB (Styrene Divinyl Benzene) at 30 ° C. This conventional method has been described in all publications “Biolignine TM” or “Lignine CIMV”.

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Description

"Utilisation d'une lignine pour le renfort mécanique d'élastomères, et élastomère ainsi renforcé"
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une utilisation nouvelle d'un biopolymère pur et non dégradé de type polyphénol naturel représenté par une lignine particulière - ci-après lignine - pour le renfort mécanique dans des structures polymériques de type élastomères.
La présente invention concerne aussi un élastomère préparé par mise en œuvre de l'utilisation conforme à l'invention.
L'utilisation nouvelle selon la présente invention réside dans la mise en œuvre d'une lignine particulière issue d'une matière première végétale, notamment de la paille de blé, et qui est composée d'oligomères linéaires à bas poids moléculaire se comportant comme les oligomères et polymères phénoliques homologues.
L'utilisation nouvelle de la présente invention a été rendue possible parce que la lignine pure et non dégradée (appelée ci- après "Biolignine™" ou encore "Lignine CIMV") est préparée par un procédé - ci-après le "Procédé CIMV" - parfaitement maîtrisé et décrit en particulier dans le document brevet EP-B1 -1.180.171.
La notion de pureté et le caractère natif de la "Biolignine™" peuvent notamment être résumés par les points suivants : taux de polysaccharides résiduels, taux de matière minérale, masse moléculaire moyenne et distribution, taux de fonctions réactives (en particulier hydroxyles), toutes ces caractéristiques étant obtenues sans traitement particulier.
Des travaux de caractérisation conduits, notamment par
Michel Delmas et Bouchra Mlayah Benjelloun, ont de plus permis d'établir la structure et la fonctionnalité de la Lignine CIMV ainsi préparée dont les résultats des travaux ont été publiés dans les documents suivants :
A "Functionality of wheat Straw Lignin Extracted in Organic Acid Media Journal of Applied Polymer Science" in Vol.121 491- 501(2011) ;
B "Structural elucidation of the wheat straw lignin polymer ..." in JOURNAL OF THE MASS SPECTROMETRY 2003; 38: 900- 903 ;
C "Elucidation of the complex molecular structure of wheat straw lignin polymer ..." in RAPID COMMUNICATIONS IN MASS SPECTROMETRY 2007; 21: 2867-2888.
En particulier une certaine fonctionnalité et/ou des propriétés physico-chimiques spécifiques de cette Biolignine™ ou Lignine CIMV mises en évidence au cours de ces études ont confirmé le potentiel de cette lignine dans des applications commerciales dans la fabrication de polymères non toxiques, notamment dans le domaine des colles pour panneaux de particules, stratifiés, contre-plaqués et/ou en plasturgie verte, en particulier des résines phénoliques, des résines époxy.
De manière plus surprenante, les propriétés physicochimiques spécifiques de cette lignine ont confirmé le potentiel de cette lignine comme excellent substituant du noir de carbone pour le renfort mécanique dans des structures polymériques de type élastomères.
C'est cette dernière découverte qui est à la base de la présente invention.
ETAT DE LA TECHNIQUE L'utilisation d'une lignine en remplacement du noir de carbone comme élément de renfort dans la production de composés de type élastomères est connue du document « Lignin for Reinforcing Rubber » (J.J. KLEIN AND ARTHUR POLLACK - West Virginia Pulp and Paper Company, Charleston - publié il ya plus de 60 ans dans "INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY Vol.39, No.4.
Outre le fait que la structure de la lignine décrite dans ce document n'est pas définie, ses propriétés physico-chimiques, par exemple en termes de surface spécifique, et sa fonctionnalité sont fondamentalement différentes de celles de la lignine préparée et non dégradée conforme à l'utilisation selon l'invention.
Des documents brevets plus récents, par exemple EP-A1 -2.223.928, concernent l'utilisation d'une lignine dite « fonctionnalisée », qui font tous référence à de la lignine modifiée chimiquement dans des compositions à base de caoutchouc.
Dans le document US-A-3.223.697, pour l'utilisation comme élément de renfort dans une composition d'un caoutchouc (colonne 2, ligne 31 et suivantes), il est fait référence à des lignines obtenues par co-précipitation, c'est-à-dire des lignines modifiées chimiquement. De plus, il est indiqué que les résultats obtenus après réduction en poudre n'étaient pas satisfaisants. Ainsi, malgré les efforts pour augmenter la surface spécifique et diminuer la taille des particules, le remplacement du noir de carbone par de la lignine n'était pas satisfaisant.
Ensuite (colonne 3, ligne 5 et suivantes), ce document indique une tentative de diminuer le diamètre des particules pour obtenir une surface spécifique comprise entre 3 et 5 m2/g. D'une part, cette modification n'a pas été satisfaisante du point de vue des résultats obtenus et, d'autre part, elle se situe toujours dans des tentatives d'utilisation de lignines modifiées chimiquement. Ensuite, s'agissant de l'invention objet de ce document, à partir de la colonne 3, ligne 17 et suivantes, il est fait état d'un procédé de chauffage et de modification chimique de la lignine en vue d'obtenir de la lignine en poudre ayant une surface spécifique d'au moins 20 m2/g. Le document US-A-3.984.362 est relatif à de la lignine modifiée chimiquement et notamment aux exemples 1 et 2 (Voir notamment les des produits ajoutés pour la préparation de lignine en poudre). Dans ce document, il est revendiqué d'abord une préparation de la lignine, par lavage et re-précipitation à pH acide avant son utilisation en mélange avec le caoutchouc, c'est à dire une préparation avant utilisation.
La lignine conforme à l'utilisation selon l'invention s'en distingue en ce qu'elle n'est pas modifiée chimiquement et en ce que ses groupements fonctionnels sont « disponibles ».
DESCRIPTION DETAILLEE DE LA PRESENTE INVENTION
La présente invention a pour objet une utilisation, pour le renfort mécanique de polymères de type élastomères, d'une lignine non modifiée chimiquement aux groupements fonctionnels disponibles qui présente une surface spécifique comprise entre 0,5 m2/g et 5 m2/g, et de préférence comprise entre 1 m2/g et 2,5 m2/g.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- ladite lignine a une masse moléculaire faible et dont la Mw est comprise entre 700 g/mol et 2000 g/mol ;
- ladite lignine a un indice de polydispersité égal à environ
1,3 ;
- ladite lignine comporte des groupements fonctionnels disponibles choisis dans le groupe constitué par les hydroxyles aliphatiques, les hydroxyles phénoliques et les acides carboxyliques ;
- les hydroxyles aliphatiques sont présents à raison de 1,5 mmol/g à 3,0 mmol/g, de préférence à raison de 2,3 mmol/g ;
- les hydroxyles phénoliques sont présents à raison de 1,1 mmol/g à 2,0 mmol/g, de manière préférée à raison d'une teneur non inférieure de 1,1 mmol/g ; - les acides carboxyliques sont présents à raison de 0,5 mmol/g à 1,5 mmol/g, de manière préférée à raison d'une teneur égale à environ 1,0 mmol/g ;
- ladite lignine présente un diamètre moyen de particules pondéré compris entre 5 microns et 100 microns, et de préférence compris entre 10 microns et 15 microns. L'invention a aussi pour objet un élastomère.
L'invention propose aussi un élastomère incorporant une lignine mise en œuvre dans une utilisation selon les enseignements de l'invention.
Selon une autre caractéristique, l'élastomère ne comporte pas de noir de carbone.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La présente invention va maintenant être décrite à l'aide d'exemples de réalisation et de tableaux de résultats donnés à titre purement illustratif et non limitatif, et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un graphique illustrant la répartition/distribution granulomètrique des particules d'une Biolignine™ "standard" 500 microns ;
la figure 2 est un graphique illustrant la répartition/distribution granulomètrique des particules d'une Biolignine™ finement broyée 15 microns ;
- les figures 3 à 6 sont des vues microscopiques par Microscopie Electronique à Balayage de différents mélanges selon l'invention et/ou produits de référence. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Une poudre de lignine a été préparée comme suit à partir d'une Biolignine™ obtenue selon le Procédé CIMV : A partir d'une Biolignine™ de paille de blé, on a réalisé un broyage « fin » au moyen d'un broyeur à billes et planétaire, qui présente les caractéristiques suivantes :
- Matière sèche : 95%
- Surface spécifique : 1.56m2/g
- Distribution granulomètrique : 50% des particules ont un diamètre moyen de particules pondéré inférieur à 15 microns et 90% des particules ont un diamètre moyen de particules pondéré inférieur 100 microns.
La distribution granulomètrique des particules est illustrée à la figure 1 des dessins annexés à la présente description.
On a aussi représenté à la figure 2 la distribution granulomètrique des particules d'une Biolignine™ "standard" qui présente les caractéristiques suivantes :
- Matière sèche : 95%
- Surface spécifique : 0.077m2/g
- Distribution granulomètrique : 40% des particules ont un diamètre moyen de particules pondéré compris entre 350 microns et 1000 microns et 90% des particules ont un diamètre moyen de particules pondéré compris entre 45 microns et 1000 microns.
Des essais de dispersion de la Biolignine™ dans un élastomère, et plus particulièrement dans un EPDM (Ethylène- Propylène-Diène Monomère) qui est utilisé dans tous les domaines de l'industrie des caoutchoucs, ont été réalisés.
La poudre de lignine a été incorporée directement dans un caoutchouc par un système de mélangeur à rouleaux.
Les résultats de ces essais ont été comparés avec un mélange de référence composé de noir de carbone et d'EPDM.
L'état microscopique de ces mélanges par dispersion a été évalué par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et les résultats sont illustrés aux figures 3 à 6 qui sont des vues microscopiques, avec un grossissement de 250 fois. On constate que, quel que soit le taux d'incorporation de la Biolignine™ dans l'EPDM, une hétérogénéité du mélange est observée dans tous les cas.
Des essais comparatifs ont été effectués avec trois échantillons de mélanges EPDM/Biolignine™ et un échantillon de référence EPDM/Noir de Carbone dont les résultats sont les suivants.
Tableau 1
Biolignine™ "standard" 500 microns.
Figure imgf000008_0001
Tableau 2
Biolignine™ finement broyée 15 microns, surface spécifique 1.56 m2/g
Figure imgf000008_0002
Malgré l'hétérogénéité des mélanges Biolignine™/EPDM, ces résultats montrent que la Biolignine™ peut remplacer le noir de carbone dans des mélanges à base d'EPDM, avec des caractéristiques de dureté et d'allongement satisfaisants.
L'augmentation de la surface spécifique procure une amélioration de la dureté et de la résistance à la rupture.
L'augmentation du taux d'incorporation procure une amélioration des différentes caractéristiques.
Les résultats concernant le mélange Biolignine™ / Noir de Carbone en proportions égales fournit des résultats au mélange de référence sans Biolignine™,
Dans le cadre de la présente description, la surface spécifique a été mesurée selon la méthode dite par "diffraction laser" confirmée par adsorption d'azote (Méthode dite "BET").
Voir par exemple :
http://www.malvern.com/LabEng/technology/laser_diffraction/gas_ adsorption_bet.htm
La masse moléculaire a été déterminée selon la méthode dite SEC ("Size Exclusion Chromatography") Eluant THF, Détection "Réfractomètre", trois colonnes en série 100, 500, 1000 Angstrôms, en SDVB (Styrène Divinyl Benzène) à 30°C. Cette méthode conventionnelle a été décrite dans toutes les publications "Biolignine™" ou encore "Lignine CIMV".
Voir encore par exemple :
http://www.malvern.com/labeng/technology/size-exclusion- chromatography.htm , ou
https://en.wikipedia.org/wiki/Size-exclusion_chromatography

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation, pour le renfort mécanique de polymères de type élastomères, d'une lignine non modifiée chimiquement aux groupements fonctionnels disponibles qui présente une surface spécifique comprise entre 0,5 m2/g et 5 m2/g, et de préférence comprise entre 1 m2/g et 2,5 m2/g.
2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite lignine a une masse moléculaire faible et dont la Mw est comprise entre 700 g/mol et 2000 g/mol.
3. Utilisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite lignine a un indice de polydispersité égal à environ 1,3.
4. Utilisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite lignine comporte des groupements fonctionnels disponibles choisis dans le groupe constitué par les hydroxyles aliphatiques, les hydroxyles phénoliques et les acides carboxyliques.
5. Utilisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que :
- les hydroxyles aliphatiques sont présents à raison de 1,5 mmol/g à 3,0 mmol/g, de préférence à raison de 2,3 mmol/g ;
- ou les hydroxyles phénoliques sont présents à raison de 1,1 mmol/g à 2,0 mmol/g, de manière préférée à raison d'une teneur non inférieure de 1,1 mmol/g ;
- ou les acides carboxyliques sont présents à raison de 0,5 mmol/g à 1,5 mmol/g, de manière préférée à raison d'une teneur égale à environ 1,0 mmol/g.
6. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite lignine présente un diamètre moyen de particules pondéré compris entre 5 microns et 100 microns, et de préférence compris entre 10 microns et 15 microns.
7. Elastomère incorporant une lignine mise en œuvre dans une utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes.
8. Elastomère selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il ne comporte pas de noir de carbone.
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