AT501049B1 - METHOD FOR ACYLATING AN IN PARTICULAR CELLULOSE AND / OR HEMICELLULOSE AND / OR LIGNIN EFFECTIVE MATERIAL AND MATERIAL THEREFORE AVAILABLE - Google Patents
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Description
2 AT 501 049 B12 AT 501 049 B1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Acylierung eines insbesondere Cellulose und/oder He-micellulose und/oder Lignin aufweisenden Materials.The invention relates to a process for the acylation of a particular cellulose and / or He-micellulose and / or lignin-containing material.
Weiter betrifft die Erfindung ein acyliertes Material.Furthermore, the invention relates to an acylated material.
Schließlich hat die Erfindung einen Verbundwerkstoff, welcher ein Cellulose und/oder Hemicel-lulose und/oder Lignin aufweisendes Material und einen thermoplastischen Kunststoff enthält, zum Gegenstand.Finally, the subject of the invention is a composite material which contains a cellulose and / or hemicelulose and / or lignin-containing material and a thermoplastic.
Cellulose, Hemicellulose und/oder Lignin aufweisende Materialen, zum Beispiel Holz, sind wichtige erneuerbare Rohstoffe und können nicht nur als solche selbst eingesetzt werden sondern dienen darüber hinaus als wichtige Grundstoffe zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, beispielsweise Holz-Polymer-Composite oder Werkstoffe für Spanplatten. Derartige Verbundwerkstoffe sind kostengünstige Alternativen zu Kunststoffen und können diese in vielen Anwendungsbereichen ersetzen.Cellulosic, hemicellulose and / or lignin-containing materials, for example wood, are important renewable raw materials and can not only be used as such but also serve as important raw materials for the production of composites, for example wood-polymer composites or particleboard materials. Such composites are cost effective alternatives to plastics and can replace them in many applications.
Im Vergleich mit reinen Kunststoffen sind Verbundwerkstoffe auf der Basis von Cellulose und/oder Hemicellulose und/oder Lignin aufweisenden Materialien und Polymeren als Grundkomponenten allerdings grundsätzlich weniger dimensionsstabil, insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit, sowie weniger wetter- und pilzresistent und weniger hydrophob, was auf die Anteile an Cellulose, Hemicellulose und/oder Lignin im Verbundwerkstoff zurückzuführen ist.In comparison with pure plastics, however, composites based on cellulose and / or hemicellulose and / or lignin-containing materials and polymers as base components are generally less dimensionally stable, especially at high humidity, and less weather- and fungus-resistant and less hydrophobic, due to the proportions attributable to cellulose, hemicellulose and / or lignin in the composite material.
Um diesbezüglich die Eigenschaften von Cellulose, Hemicellulose und/oder Lignin enthaltenden Materialien zu verbessern, wurden bereits zahlreiche Verfahren zur Acetylierung bzw. Acylierung von Cellulose, Hemicellulose und/oder Lignin aufweisenden Materialien vorgeschlagen. Bei solchen Verfahren werden freie Hydroxylgruppen eines Materials verestert, wodurch eine gewünschte Modifikation der Eigenschaften des Materials erreicht werden soll.In order to improve the properties of cellulose, hemicellulose and / or lignin-containing materials in this regard, numerous processes have already been proposed for the acetylation or acylation of cellulose, hemicellulose and / or lignin-containing materials. In such processes, free hydroxyl groups of a material are esterified, whereby a desired modification of the properties of the material is to be achieved.
Bei einer Acetylierung wird ausschließlich mit acetatgruppenhältigen Reaktanden verestert, während bei einer Acylierung beliebige Gruppen zur Veresterung dienen können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der weite Begriff Acylierung den speziellen Begriff Acetylierung mit ein.In an acetylation is esterified only with acetate-containing reactants, while in an acylation any groups can serve to esterify. In the context of the present invention, the broad term acylation includes the specific term acetylation.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, cellulosehältige Materialien wie Holz mit Essigsäureanhydrid bei Temperaturen von zumindest etwa 120 °C umzusetzen, um acetylierte Materialien zu erhalten (z.B. US 5,525,721 A oder US 5,431,868 A).It is known in the art to react cellulosic materials such as wood with acetic anhydride at temperatures of at least about 120 ° C to obtain acetylated materials (e.g., US 5,525,721 A or US 5,431,868 A).
Gemäß der WO 2004/048417 A1 wurde vorgeschlagen, Holz mit Isopropenylacetat bei Temperaturen von 50 bis 125 °C und Reaktionszeiten von 0.2 bis 6 Stunden in Gegenwart eines sauren Katalysators umzusetzen, um acetyliertes Holz zu erhalten.According to WO 2004/048417 A1, it has been proposed to react wood with isopropenyl acetate at temperatures of 50 to 125 ° C. and reaction times of 0.2 to 6 hours in the presence of an acid catalyst in order to obtain acetylated wood.
Neben den aus den vorerwähnten Dokumenten bekannten Verfahren zur Acetylierung sind weiter Verfahren zur Acylierung cellulosischer Materialien mit Säureanhydriden oder Säurechloriden bekannt geworden.In addition to the methods of acetylation known from the aforementioned documents, methods for the acylation of cellulosic materials with acid anhydrides or acid chlorides have become known.
Die vorerwähnten insbesondere mit Essigsäureanhydrid oder mit Säureanhydriden bzw. Säurechloriden arbeitenden Verfahren zur Acylierung von Cellulose und/oder Hemicellulose und/oder Lignin aufweisenden Materialien haben die Nachteile, dass hohe Acylierungsgrade nur unter relativ drastischen Reaktionsbedingungen, beispielsweise hohen Temperaturen und/oder hohen Drücken, erreicht werden.The above-mentioned especially with acetic anhydride or acid anhydrides or acid chlorides working methods for the acylation of cellulose and / or hemicellulose and / or lignin-containing materials have the disadvantages that high degrees of acylation only under relatively drastic reaction conditions, such as high temperatures and / or high pressures achieved become.
Ein anderer Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, dass derart acylierte Materialien ungenügend wasserabweisend sein können und unter Umständen Wasser aufnehmen können. Werden solche Materialien mit Polymeren zu Verbundwerkstoffen verarbeitet, so tritt dieser Nachteil auch in diesen auf: Entsprechende Verbundkörper können dann unzureichend dimen- 3 AT 501 049 B1 sionsstabil sein bzw. verformen sich insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit ohne Einwirkung einer Last.Another disadvantage of the known methods is that such acylated materials can be insufficiently water-repellent and may absorb water under certain circumstances. If such materials are processed with polymers into composite materials, this disadvantage also occurs in these: Corresponding composite bodies can then be insufficiently dimensionally stable or deform, in particular, at high air humidity without the action of a load.
Davon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren an-5 zugeben, mit welchem unter milden Reaktionsbedingungen eine Acylierung freier Hydroxylgruppen in hohem Ausmaß erfolgen kann und wasserabweisende Materialien erhältlich sind, welche mit einem thermoplastischen Kunststoff zu einem dimensionsstabilen Verbundwerkstoff verarbeitbar sind. io Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Angabe eines acylierten Materials, welches hydrophob ist und mit einem thermoplastischen Kunststoff zu einem dimensionsstabilen Verbundwerkstoff verarbeitbar ist.Based on this, the object of the invention is to provide a generic process with which under mild reaction conditions acylation of free hydroxyl groups can be carried out to a high degree and water-repellent materials are obtainable, which can be processed with a thermoplastic material to form a dimensionally stable composite material. It is a further object of the invention to specify an acylated material which is hydrophobic and can be processed with a thermoplastic to form a dimensionally stable composite material.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, einen Verbundwerkstoff anzugeben, welcher ein Cellulose 15 und/oder Hemicellulose und/oder Lignin aufweisendes Material und einen thermoplastischen Kunststoff enthält und welcher stark wasserabweisend und dimensionsstabil ist und eine gute Pilzresistenz aufweist.Further, it is an object of the invention to provide a composite material which contains a cellulose 15 and / or hemicellulose and / or lignin-containing material and a thermoplastic and which is highly water-repellent and dimensionally stable and has a good fungal resistance.
Die verfahrensmäßige Aufgabe löst ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Varianten 20 eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 20 dargelegt.The procedural object solves a method according to claim 1. Advantageous variants 20 of a method according to the invention are set forth in claims 2 to 20.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durchaus überraschend bei einer Acylierung mit einem Gemisch aus Isopropenylacetat und einer Carbonsäu-re/einem Carbonsäureanhydrid gleiche Acylierungsgrade bei milderen Reaktionsbedingungen, 25 also geringerer Temperatur und/oder niedrigerem Druck und/oder in kürzeren Reaktionszeiten erreicht werden können als bisher. So führt beispielsweise eine erfindungsgemäße Umsetzung mit einem Gemisch aus Isopropenylacetat und Essigsäure im Vergleich mit einer Umsetzung nur mit Isopropenylacetat unter milderen Reaktionsbedingungen zu gleichen Veresterungsgraden. Von Vorteil ist auch, dass aufgrund einer für eine Umsetzung vorgesehenen Carbonsäu-30 re(n) bzw. eines oder mehrerer Carbonsäureanhydride(s) acylierte Materialien erhalten werden können, welche eine höhere Hydrophobizität aufweisen als lediglich mit Isopropenylacetat behandelte Materialien. In der Folge können erfindungsgemäß acylierte Materialien mit einem thermoplastischen Kunststoff zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet werden, welcher dimensionsstabil ist. 35The advantages achieved by the invention can be seen in particular in the fact that in an acylation with a mixture of isopropenyl acetate and a carboxylic acid / a carboxylic acid anhydride same degree of acylation under milder reaction conditions, 25 so lower temperature and / or lower pressure and / or in shorter reaction times can be achieved than before. Thus, for example, a reaction according to the invention with a mixture of isopropenyl acetate and acetic acid leads to the same degree of esterification in comparison with a reaction with isopropenyl acetate under milder reaction conditions. It is also advantageous that acylated materials which have a higher hydrophobicity than materials treated with isopropenyl acetate can be obtained owing to a carboxylic acid (s) or one or more carboxylic anhydrides (s) intended for a reaction. As a result, according to the invention acylated materials can be processed with a thermoplastic material to form a composite material which is dimensionally stable. 35
Da Isopropenylacetat eine aufwändig herzustellende Verbindung ist, ist im Vergleich mit einem herkömmlichen auf Isopropenylacetat basierenden Verfahren ein anderer Vorteil darin zu sehen, dass nunmehr ein Teil dieser aufwändigen Verbindung unter gleichzeitig Verbesserung der Reaktionsbedingungen durch einfach herzustellende Carbonsäuren bzw. Carbonsäureanhydri- 40 de ersetzt ist.Since isopropenyl acetate is a complicated to prepare compound, in comparison with a conventional based on Isopropenylacetat process another advantage is the fact that now a part of this complex compound is replaced while simultaneously improving the reaction conditions by simply produced carboxylic acids or carboxylic acid 40 de.
Eine Umsetzung des zu acylierenden Materials kann in flüssiger Phase oder über die Gasphase erfolgen, wobei Reaktionstemperaturen zwischen 20 und 200 °C liegen können. Selbst im Falle eines Materials mit geringen Abmessungen ist eine Reaktionszeit von 2 Minuten erforderlich, 45 um einen ausreichenden Acylierungsgrad zu erreichen, weshalb eine Mindestreaktionszeit entsprechend bemessen ist. Eine Reaktionszeit von mehr 48 Stunden bringt keine Erhöhung des Acylierungsgrades, kann aber zu einer Beeinträchtigung des eingesetzten Materials durch dauerhaften Kontakt mit dem Reaktionsmedium führen, weshalb eine maximale Reaktionszeit 48 Stunden beträgt. 50A reaction of the material to be acylated can take place in the liquid phase or via the gas phase, reaction temperatures of between 20 and 200 ° C. being possible. Even in the case of a small-sized material, a reaction time of 2 minutes is required to reach a sufficient degree of acylation, so a minimum reaction time is appropriately sized. A reaction time of more than 48 hours brings no increase in the degree of acylation, but can lead to an impairment of the material used by permanent contact with the reaction medium, which is why a maximum reaction time is 48 hours. 50
Das Verfahren kann bei beliebigen Drücken ausgeführt werden, wobei sich in der Praxis ein Druck im Bereich von 1 bis 20 bar als günstig erwiesen hat.The process can be carried out at any pressure, in practice, a pressure in the range of 1 to 20 bar has proved to be favorable.
Als Carbonsäuren können beliebige Carbonsäuren, auch Polycarbonsäuren und Carbonsäuren 55 mit weiteren funktionellen Gruppen, eingesetzt werden, solang eine Acylierung ermöglicht ist. 4 AT 501 049 B1Any carboxylic acids, including polycarboxylic acids and carboxylic acids 55 with further functional groups, can be used as carboxylic acids, as long as acylation is possible. 4 AT 501 049 B1
Bevorzugt werden C2-C22-Carbonsäuren eingesetzt. Mit zunehmendem Molekulargewicht bzw. zunehmender Größe von Carbonsäuren sind diese weniger in der Lage, während der Reaktion in das zu acylierende Material einzudringen und im Materialinneren mit Hydroxylgruppen zu reagieren. Carbonsäuren mit mehr als 22 Kohlenstoffatomen tragen daher nur wenig zu einem 5 hohen Acylierungsgrad bei, weshalb bevorzugt C2-C22-Carbonsäuren verwendet werden.Preference is given to using C 2 -C 22 -carboxylic acids. With increasing molecular weight or increasing size of carboxylic acids, these are less able to penetrate into the material to be acylated during the reaction and to react with hydroxyl groups in the interior of the material. Carboxylic acids having more than 22 carbon atoms, therefore, contribute little to a high degree of acylation, and therefore C2-C22 carboxylic acids are preferably used.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Gemisch zumindest eine C2-C5-Alkancarbonsäure und/oder eine C3-C6-Alkencarbonsäure und umfasst weiter eine C6-C22-Alkancarbonsäure und/oder C6-C22-Alkencarbonsäure. Die niedermolekulare C2-C5-io Alkancarbonsäure und/oder eine C3-C6-Alkencarbonsäure auf der einen Seite können ein Aufquellen des Materials bewirken, welches im aufgequollenen Zustand für die Acylierungsmittel leichter zugänglich ist, was zu höheren Acylierungsgraden führt. Die längerkettige C6-C22-Alkancarbonsäure und/oder C6-C22-Alkencarbonsäure auf der anderen Seite bewirken eine hohe Hydrophobizität des acylierten Materials. 15In a preferred variant of the process according to the invention, the mixture contains at least one C 2 -C 5 -alkanecarboxylic acid and / or one C 3 -C 6 -alkenecarboxylic acid and furthermore comprises a C 6 -C 22 -alkanecarboxylic acid and / or C 6 -C 22 -alkenecarboxylic acid. The low molecular weight C2-C5-alkanoic acid and / or a C3-C6-alkenecarboxylic acid on the one hand can cause a swelling of the material, which is more accessible in the swollen state for the acylating, resulting in higher degrees of acylation. The longer chain C6-C22 alkanecarboxylic acid and / or C6-C22 alkenecarboxylic acid, on the other hand, provide high hydrophobicity of the acylated material. 15
In diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, wenn zuerst Isopropenylacetat und die C2-C5-Alkancarbonsäure und/oder die C3-C6-Alkencarbonsäure zugeben und mit dem Material umgesetzt werden und anschließend die C6-C22-Carbonsäure zugegeben und umgesetzt wird. In dieser Variante wird zuerst überwiegend das Innere des Materials acyliert, wohin-20 gegen der spätere Zusatz der C6-C22-Alkancarbonsäure und/oder C6-C22-Alkencarbonsäure eine Acylierung vornehmlich im Bereich der äußeren Oberfläche des Materials bewirkt, so dass ein acyliertes Material mit einer besonders apolaren Oberfläche geschaffen wird.In this connection, it may be particularly advantageous to first add isopropenyl acetate and the C 2 -C 5 -alkanecarboxylic acid and / or the C 3 -C 6 -alkenecarboxylic acid and react with the material, and then add and react the C 6 -C 22 -carboxylic acid. In this variant, the interior of the material is first predominantly acylated, whereupon the acylation, especially in the region of the outer surface of the material, causes acylation of the material against the subsequent addition of the C6-C22-alkanecarboxylic acid and / or C6-C22-alkenecarboxylic acid created with a particularly apolar surface.
Von Vorteil kann es weiter sein, wenn das Gemisch a) 20 bis 80 Masse-% Isopropenylacetat 25 und b) 80 bis 20 Masse-% einer oder mehrerer Carbonsäure(n) und/oder eines oder mehrere Carbonsäureanhydride(s) enthält, weil mit derartigen Gemischen bei gemeinsamer Betrachtung ein Optimum von Acylierungsgrad und Hydrophobizität unter milden Reaktionsbedingungen erreicht wird. 30 Als Katalysator kann eine anorganische Säure, insbesondere Chlorwasserstoff, Phosphorsäure oder Borsäure, eingesetzt werden.It may be advantageous if the mixture contains a) 20 to 80% by mass of isopropenyl acetate 25 and b) 80 to 20% by mass of one or more carboxylic acid (s) and / or one or more carboxylic anhydrides, because Such mixtures, when considered together, achieve optimum levels of acylation and hydrophobicity under mild reaction conditions. An inorganic acid, in particular hydrogen chloride, phosphoric acid or boric acid, can be used as the catalyst.
Alternativ ist es möglich, eine organische Säure oder eines ihrer Salze wie Natriumacetat oder ein Acylhalogenid einzusetzen. 35Alternatively, it is possible to use an organic acid or one of its salts, such as sodium acetate or an acyl halide. 35
Der Katalysator kann alternativ auch eine Base vom Typ Alkali oder eines ihrer Salze und/oder eine quarternäre Ammoniumverbindung sein.The catalyst may alternatively be a base of the alkali type or one of its salts and / or a quaternary ammonium compound.
Es ist ferner auch möglich, einen Zeolith oder ein Chlorsilan als Katalysator zu verwenden. 40It is also possible to use a zeolite or a chlorosilane as a catalyst. 40
Schließlich ist es auch möglich, dass der Katalysator eine aromatische Sulfonsäure wie p-Toluolsulfonsäure oder eine Lewis-Säure wie Zinkchlorid ist.Finally, it is also possible that the catalyst is an aromatic sulfonic acid such as p-toluenesulfonic acid or a Lewis acid such as zinc chloride.
Eine Konzentration des Katalysators liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 0.002 bis 5 mol 45 pro kg Reaktionsmischung.A concentration of the catalyst is suitably in the range of 0.002 to 5 moles 45 per kg of reaction mixture.
Um eine möglichst vollständige Acylierung zu erreichen, ist es vorteilhaft, während der Reaktion entstehendes Aceton kontinuierlich zu entfernen. so In einer Alternative hierzu kann während der Reaktion entstehendes Aceton in der Reaktionsmischung belassen werden und/oder Aceton zugegeben werden. Eine derartige Vorgehensweise erweist sich als günstig, wenn nach der Reaktion ein acyliertes Material möglichst frei von allfälligen Säureresten sein soll, weil diese dann leichter entfernbar sind. 55 Das eingesetzte Material kann als Holz in Form von Festholz wie Balken, Bretter, Kanthölzer, 5 AT 501 049 B1In order to achieve as complete acylation as possible, it is advantageous to continuously remove acetone formed during the reaction. Thus, in an alternative to this, acetone formed during the reaction may be left in the reaction mixture and / or acetone may be added. Such a procedure proves to be favorable if, after the reaction, an acylated material should be as free as possible of any acid residues, because these are then easier to remove. 55 The material used can be wood in the form of solid wood such as beams, boards, square timbers, 5 AT 501 049 B1
Furniere oder dergleichen massive Holzwerkstücke vorliegen. Ebenso kann das Material in Form von Holzpartikel wie Holzspäne, Holzfasern und/oder Holzmehl oder als Zellstoff vorliegen, in welchen Fällen ein hoher Acylierungsgrad bei kurzen Reaktionszeiten erreicht werden kann. 5Veneers or similar solid wood workpieces are present. Likewise, the material can be present in the form of wood particles such as wood chips, wood fibers and / or wood flour or as pulp, in which cases a high degree of acylation can be achieved with short reaction times. 5
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann bevorzugt auch Anwendung finden, wenn das Material als Faser oder als Gewebe, insbesondere als Textil, vorliegt. Auch cellulosische Chemiefasern wie Viskosefasern, Cuprofasern, Lyocellfasern oder dergleichen können eingesetzt werden. Im Übrigen kann das Material in Form von pflanzlichen Samenfasern, Fruchtfasern, Blattfasern io oder Bastfasern wie Jute, Baumwolle, Kenaf, Kokos, Flachs, Hanf, Ramie, Sisal oder dergleichen vorliegen.A method according to the invention can preferably also be used when the material is present as a fiber or as a fabric, in particular as a textile. Also cellulosic man-made fibers such as viscose fibers, cuprofibers, lyocell fibers or the like can be used. Incidentally, the material may be in the form of vegetable seed fibers, fruit fibers, leaf fibers or bast fibers such as jute, cotton, kenaf, coconut, flax, hemp, ramie, sisal or the like.
Insbesondere bei Textilien und massiven Holzwerkstücken kann es günstig sein, wenn in einem ersten Schritt das Material mit dem Gemisch benetzt bzw. imprägniert wird und in einem zwei-15 ten Schritt eine Umsetzung des Gemisches mit dem Material erfolgt. Dies resultiert in einer Acylierung vornehmlich der Oberfläche des eingesetzten Materials, was für spezielle Anwendungszwecke ausreichend ist.In the case of textiles and solid pieces of wood, in particular, it may be favorable if, in a first step, the material is wetted or impregnated with the mixture and, in a second step, the mixture is reacted with the material. This results in an acylation primarily of the surface of the material used, which is sufficient for specific applications.
Das weitere Ziel der Erfindung, ein acyliertes Material, welches hydrophob ist und mit einem 20 thermoplastischen Kunststoff zu einem dimensionsstabilen Verbundwerkstoff verarbeitbar ist, anzugeben, ist durch ein Material nach Anspruch 21 gelöst.The further object of the invention to provide an acylated material, which is hydrophobic and processable with a thermoplastic material to a dimensionally stable composite material, is achieved by a material according to claim 21.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Materials sind insbesondere darin zu sehen, dass ein stark hydrophobes Material bereitgestellt wird, bei welchem zumindest ein Teil von ursprünglich 25 vorhandenen Hydroxylgruppen mittels Isopropenylacetat und zumindest einer Carbonsäure bzw. eines Carbonsäureanhydrides verestert ist. Durch eine anteilige Verersterung mittels Carbonsäure bzw. Carbonsäureanhydrid wird nicht nur ein höherer Acylierungsgrad und eine hohe Hydrophobizität bedingt, sondern auch bewirkt, dass das Material unpolarer sein kann, als lediglich mit Isopropenylacetat behandeltes Material. Eine erniedrigte Polarität wirkt sich in der 30 Folge bei einer Herstellung von Verbundkörpem mit thermoplastischen Polymeren vorteilhaft aus, weil eine Vermischung eines erfindungsgemäß weniger polaren Materials mit Polymeren einfacher als bisher und mit geringeren Massen an Kompatibilisator oder erforderlichenfalls ohne Kompatibilisator erfolgen kann. 35 Das weitere Ziel der Erfindung, einen Verbundwerkstoff anzugeben, welcher ein Cellulose und/oder Hemicellulose und/oder Lignin aufweisendes Material und einen thermoplastischen Kunststoff enthält und welcher stark wasserabweisend sowie dimensionsstabil ist und eine gute Pilzresistenz aufweist, wird durch einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Varianten eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes sind Gegenstand der Ansprüche 23 40 bis 27.The advantages of a material according to the invention can be seen, in particular, in the fact that a strongly hydrophobic material is provided in which at least a portion of originally present hydroxyl groups are esterified by means of isopropenyl acetate and at least one carboxylic acid or one carboxylic acid anhydride. By a proportionate Verersterung by means of carboxylic acid or carboxylic anhydride not only a higher degree of acylation and high hydrophobicity due, but also causes the material may be less polar than isopropenyl acetate treated material. A lowered polarity has an advantageous effect in the production of composites with thermoplastic polymers, because mixing of a less polar material according to the invention with polymers can be easier than previously and with less compatibilizer mass or, if necessary, no compatibilizer. The further object of the invention to provide a composite material which contains a cellulose and / or hemicellulose and / or lignin-containing material and a thermoplastic material and which is highly water-repellent and dimensionally stable and has a good fungal resistance is achieved by a composite material according to claim 22 , Advantageous variants of a composite material according to the invention are the subject matter of claims 23 40 to 27.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes sind insbesondere darin zu sehen, dass im Vergleich mit Verbundwerkstoffen, in welche Cellulose und/oder Hemicellulose und/oder Lignin aufweisende Materialien ohne vorangegangener Modifizierung bzw. Acylierung 45 derselben verwendet sind, eine Wasseraufnahme des Verbundwerkstoffes bei Raumtemperatur um 35 bis 40 % reduziert ist. Weiter konnte eine um 80 % verminderte Wahrscheinlichkeit eines Pilzbefalles festgestellt werden. Schließlich weisen erfindungsgemäße Verbundwerkstoffe im Vergleich bei annähernd gleicher Festigkeit eine um 20 % erhöhte Steifigkeit auf. so Als thermoplastischer Kunststoff ist bevorzugt Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyoxymethylen, Polyamid, Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrol und/oder Polybu-tylenterephthalat vorgesehen.The advantages of a composite material according to the invention can be seen, in particular, in that, compared with composite materials in which cellulose-containing and / or hemicellulose and / or lignin-containing materials are used without prior modification or acylation, a water absorption of the composite material at room temperature by 35 to 40% is reduced. Furthermore, an 80% reduction in the likelihood of fungal infestation was found. Finally, composite materials according to the invention have a stiffness increased by 20% in comparison with approximately the same strength. Polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyoxymethylene, polyamide, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene and / or polybutylene terephthalate are preferably provided as the thermoplastic material.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Kunststoff ein Poly-C2-C5-a-Olefin 55 und/oder ein Copolymer aus einem C2-C5-a-Olefin und einem davon verschiedenen α-Olefin mit 6 AT 501 049 B1 2 bis 18 C-Atomen und/oder ein Cycloolefin-Ethylen-Copolymer und/oder ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und/oder ein Polypropylen-Homopolymer und/oder ein statistisches Propylen-Copolymer und/oder ein Propylen-Blockcopolymer und/oder ein statistisches Propylen-Blockcopolymer und/oder isotaktisches Polybuten-1 und/oder 4-Methylpenten-1-Homo-5 polymere und/oder 4-Methylpenten-1-Copolymere umfasst.It has proven to be particularly favorable if the plastic is a poly-C 2 -C 5 -alpha-olefin 55 and / or a copolymer of a C 2 -C 5 -alpha-olefin and a different α-olefin with 6A 501 049 B1 2 to 18 carbon atoms and / or a cycloolefin-ethylene copolymer and / or an ethylene-vinyl acetate copolymer and / or a polypropylene homopolymer and / or a propylene random copolymer and / or a propylene block copolymer and / or a random Propylene block copolymer and / or isotactic polybutene-1 and / or 4-methyl-pentene-1-homo-5-polymeric and / or 4-methyl-1-pentene copolymers.
Wird in einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ein Kompatibilisator eingesetzt, so ist von Vorteil, wenn dieser aus einem oder mehreren Bestandteilen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyalkylenglykole, CrC8-Monoalkylester von Polyalkylenglykolen, Maleinsäu-io reanhydrid gepfropft auf Polypropylen, Polyolefinwachsoxidate, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer-wachse und gepfropfte Ethylen-Vinylacetat-Copolymere besteht.If a compatibilizer is used in a composite material according to the invention, it is advantageous if it consists of one or more constituents selected from the group consisting of polyalkylene glycols, C 1 -C 8 monoalkyl esters of polyalkylene glycols, maleic anhydride grafted onto polypropylene, polyolefin wax oxidates, ethylene / vinyl acetate copolymer waxes and grafted ethylene-vinyl acetate copolymers.
Wenn zur Erstellung leichtgewichtiger Formkörper ein Verbundwerkstoff geringer Dichte gefordert wird, ist es günstig, wenn die Thermoplaste und gegebenenfalls Kompatibilisator(en) in 15 verschäumter Form vorliegen.If a low density composite is required to produce lightweight molded articles, it is beneficial to have the thermoplastics and optionally compatibilizer (s) in a foamed form.
Verbundwerkstoffe gemäß der Erfindung eignen sich vorzüglich zur Herstellung von Produkten für die Bauwirtschaft, beispielsweise Fenster, Türen, Verkleidungselemente, Zaumelemente, Terrassenböden oder Dachelemente sowie für Möbel. In diesem Fall ist es zur Erzielung einer 20 guten Wetterresistenz der eingesetzten Verbundkörper von Vorteil, wenn das acylierte Material Holz in Form von Holzspänen und/oder Holzfasern umfasst.Composite materials according to the invention are excellently suitable for the production of products for the construction industry, for example windows, doors, cladding elements, bridle elements, terrace floors or roof elements and for furniture. In this case, it is advantageous for achieving a good weather resistance of the composites used if the acylated material comprises wood in the form of wood chips and / or wood fibers.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und den dargestellten Ausführungsbeispielen. 25Further advantages of the invention will become apparent from the context of the description and the illustrated embodiments. 25
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen noch weitergehend erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to examples.
Beispiel 1 30 In einem beheizten Rührreaktor mit einem absteigenden Kühler und einer Kondensatvorlage wurden 0.5 kg Holzmehl bestehend aus Mehl der Hölzer Fichte, Kiefer und Lärche im Verhältnis (in Masse-%) 85%:15%:5% mit 3.5 kg eines Gemisches aus 50 Masse-% Buttersäure und 50 Masse-% Isopropenylacetat vorgelegt. Anschließend wurde 37%-ige wässrige HCl zugegeben (0.3 mol HCl pro kg Reaktionsgemisch). Das so erstellte Reaktionsgemisch wurde 4 Stun-35 den bei 70 °C gerührt. Nach der Reaktion wurden die Späne zweimal mit Aceton und einmal mit Methanol gewaschen and anschließend zweimal mit Wasser und danach mit einer 0.005 molaren wässrigen Natriumcarbonat-Lösung und schließlich mit Wasser säurefrei gewaschen. Das acylierte Produkt wurde bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, wonach eine Gewichtszunahme gegenüber dem Ausgangsmaterial (so genannter weight percent gain bzw. 40 WPG-Wert) von 24 % erhalten wurde. Das acylierte Holzmehl wurde im Masse-Verhältnis 70:30 mit Polyvinylchlorid extrudiert; die Extrusionsprodukte waren stark wasserabweisend und wiesen auf bei Einsatz bzw. Lagerung an feuchter Luft eine hohe Dimensionstabilität auf.Example 1 In a heated stirred reactor with a descending condenser and a condensate receiver, 0.5 kg of wood flour consisting of spruce, pine and larch flour in proportion (in% by mass) 85%: 15%: 5% with 3.5 kg of a mixture 50% by mass of butyric acid and 50% by mass of isopropenyl acetate. Then 37% aqueous HCl was added (0.3 mol HCl per kg reaction mixture). The reaction mixture thus prepared was stirred for 4 hours at 70 ° C. After the reaction, the chips were washed twice with acetone and once with methanol, followed by washing twice with water and then with a 0.005 molar aqueous sodium carbonate solution and finally with acid free of water. The acylated product was dried at 105 ° C to constant weight, after which a weight gain compared to the starting material (so-called weight percent gain or 40 WPG value) of 24% was obtained. The acylated wood flour was extruded in the 70:30 mass ratio with polyvinyl chloride; the extrusion products were highly water-repellent and exhibited high dimensional stability when used or stored in moist air.
Beispiel 2 45Example 2 45
In einem beheizten Rührreaktor mit absteigendem Kühler wurden 2.8 Liter eines Gemisches von Isopropenylacetat und Propionsäure im (Massen-) Verhältnis 2:1 vorgelegt und 350 g Fichtenspäne und 0.2 mol/kg Gemisch p-Toluolsulfonsäure zugegeben. Die eingesetzten Späne wurden unter Rückfluss 2.5 Stunden lang acyliert und nach der Reaktion analog zu Beispiel 1 so gewaschen und getrocknet. Der erzielte WPG-Wert der Späne lag bei 22 %. Die Späne wiesen im Vergleich mit ausschließlich mit Isopropenylacetat acylierten Produkten eine stark erhöhte Hydrophobizität und eine verbesserte Pilzresistenz auf.In a heated stirred reactor with descending condenser 2.8 liters of a mixture of isopropenyl acetate and propionic acid in a (mass) ratio of 2: 1 were submitted and 350 g of spruce chips and 0.2 mol / kg mixture of p-toluenesulfonic acid added. The chips used were acylated under reflux for 2.5 hours and washed and dried after the reaction analogous to Example 1. The WPG value of the chips was 22%. The chips showed greatly increased hydrophobicity and improved fungal resistance compared to products acylated exclusively with isopropenyl acetate.
Ein Teil der Späne wurde anschließend mit Polypropylen (40 Masse-% Späne und 60 Masse-% 55 Polypropylen) zu einem Formkörper extrudiert. Ein weiterer Teil der Späne wurde mit Hilfe von 7 AT 501 049 B1 12 Masse-% eines Harzes, bezogen auf die Masse der Späne, versehen und zu einer Platte gepresst. Sowohl der extrudierte Formkörper als auch die Platte waren wasserabweisend und wiesen gegenüber herkömmlichen Formkörpern eine verbesserte Dimensionsstabilität auf. 5 Beispiel 3A portion of the chips were then extruded with polypropylene (40% by weight chips and 60% by weight 55 polypropylene) to a shaped article. Another part of the chips was provided with the aid of 7% by weight of a resin, based on the mass of the chips, and pressed into a plate. Both the extruded molded article and the sheet were water repellent and had improved dimensional stability over conventional molded articles. 5 Example 3
In einem beheizten Rührreaktor (Volumen: 1 Liter) mit absteigendem Kühler werden 400 g eines Gemisches von 70 Masse-% Isopropenylacetat und 20% Essigsäure und 10 Masse-% Palmitinsäure/Stearinsäure mit 50 g Spänen (90 % Buchenspäne und 10 % Kieferspäne) in io Gegenwart von 0.2 mol/kg p-Toluolsulfonsäure 7 Stunden lang umgesetzt. Die acylierten Späne wurden nach Filtration mit Methanol und Wasser gewaschen und getrocknet. Der WPG-Wert der Späne lag bei 140 %. Die acylierten Späne wiesen im Vergleich mit den Spänen nach Beispiel 1 eine deutlich höhere Hydrophobizität auf. 15 Beispiel 4In a heated stirred reactor (volume: 1 liter) with descending cooler 400 g of a mixture of 70% by mass isopropenyl acetate and 20% acetic acid and 10% by mass palmitic acid / stearic acid with 50 g chips (90% beech shavings and 10% pine chips) In the presence of 0.2 mol / kg of p-toluenesulfonic acid reacted for 7 hours. The acylated chips were washed after filtration with methanol and water and dried. The WPG value of the chips was 140%. The acylated chips had a significantly higher hydrophobicity in comparison with the chips according to Example 1. 15 Example 4
Mit Aceton gespülte Holzfasern (50 g) wurden mit 30 ml eines Gemisches aus Isopropenylace-tat/Propionsäureanhydrid/Propionsäure (Massenverhältnis = 3:2:1), welches 0.5 mol/l p-Toluol-sulfonsäure enthielt, gemischt und bei Raumtemperatur 12 Stunden lang in einer Stickstoffat-20 mosphäre stehengelassen. Danach wurden die Holzfasern mit trockener, heißer Luft 10 Minuten lang auf 100 °C aufgeheizt und anschließend mit Aceton und Wasser gewaschen und schließlich getrocknet. Ein WPG-Wert des so erhaltenen Materials betrug 12%. Aus den Holzfasern wurde schließlich nach konventionellen Verfahren mit Harz und Ammoniumsalz als Härter eine Faserplatte gepresst. Diese wies im Test gegenüber herkömmlichen Faserplatten, bei 25 denen nur mit Isopropenylacetat acylierte Fasern eingesetzt wurden, eine deutlich reduzierte Wasseraufnahmeneigung auf.Wood fibers (50 g) purged with acetone were mixed with 30 ml of a mixture of isopropenyl acetate / propionic anhydride / propionic acid (mass ratio = 3: 2: 1) containing 0.5 mol / l of p-toluenesulfonic acid and allowed to stand at room temperature for 12 hours allowed to stand for a long time in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the wood fibers were heated with dry, hot air for 10 minutes at 100 ° C and then washed with acetone and water and finally dried. A WPG value of the material thus obtained was 12%. From the wood fibers was finally pressed by conventional methods with resin and ammonium salt as a hardener a fiberboard. In comparison to conventional fiberboards, in which only acylated fibers were used with isopropenyl acetate, this had a markedly reduced susceptibility to water absorption.
Beispiel 5 30 In einem beheizbaren 1 Liter Reaktor mit Zirkulation wurden mit Hilfe eines speziellen Einsatzes 10 Stück Buchenfurnierplatten (Dimension: 50x120x1 mm) mit einem Gemisch aus Isopropenyl-acetat/Propionsäure/Hexansäure (Massenverhältnis = 4:2:1) in Gegenwart von 0.02 mol/kg Gemisch Benzolsulfonsäure bei 110°C und bei einem Druck von etwa 3 bar unter langsamer Zirkulation des Reaktionsgemisches 1 Stunde lang umgesetzt. Aus den so erhaltenen acylierten 35 Furnierplatten wurde mit Leim ein Furnierboard gepresst. Dieses war stärker wasserabweisend als herkömmliche Furnierboards aus nicht acylierten Furnierplatten und wies eine exzellente Beständigkeit gegen Pilze auf.EXAMPLE 5 In a heatable 1 liter reactor with circulation, 10 pieces of beech veneer boards (dimension: 50 × 120 × 1 mm) with a mixture of isopropenyl acetate / propionic acid / hexanoic acid (mass ratio = 4: 2: 1) in the presence of 0.02 were used with the aid of a special insert mol / kg mixture of benzenesulfonic acid at 110 ° C and reacted at a pressure of about 3 bar with slow circulation of the reaction mixture for 1 hour. From the thus obtained acylated 35 veneer boards a veneer board was pressed with glue. This was more water repellent than conventional veneer boards made from non-acylated veneer boards and had excellent resistance to fungi.
Beispiel 6 40Example 6 40
In einem beheizbaren 1 Liter Reaktor mit Zirkulation werden mit Hilfe eines speziellen Einsatzes vier Festholzbalken aus Fichte (Dimension: 20x120x20 mm) mit Isopropenylacetat/Essig-säure/Dodecansäure (Massenverhältnis = 4:1:1) und p-Toluolsulfonsäure (0.02 mol/l Gemisch) unter Stickstoff acyliert, wobei zuerst mit Isopropenylacetat und Essigsäure 4 Stunden lang bei 45 90 °C umgesetzt werden, wonach Dodecansäure zugegeben und die Temperatur auf 120 °C erhöht wird und eine weitere Stunde umgesetzt wird. Nach der Reaktion werden die Balken 15 Minuten lang in Aceton stehen gelassen und anschließend mit Wasser, 0.001 mol/l Natriumkarbonatlösung und wiederum Wasser gewaschen und bei 60 °C getrocknet. Die Festholzbalken wiesen einen WPG-Wert von 28 % und wasserabweisende Oberflächen auf. 50In a heatable 1 liter reactor with circulation using a special insert four solid wood beams made of spruce (dimension: 20x120x20 mm) with isopropenyl acetate / acetic acid / dodecanoic acid (mass ratio = 4: 1: 1) and p-toluenesulfonic acid (0.02 mol / l Acylated under nitrogen, first with isopropenyl acetate and acetic acid for 4 hours at 45 90 ° C are reacted, after which dodecanoic acid is added and the temperature is increased to 120 ° C and reacted for an additional hour. After the reaction, the bars are allowed to stand in acetone for 15 minutes and then washed with water, 0.001 mol / L sodium carbonate solution and water again, and dried at 60 ° C. The Festholzbalken had a WPG value of 28% and water-repellent surfaces. 50
Beispiel 7Example 7
Ein Textil aus Baumwolle wurde mit einem Gemisch aus Isopropenylacetat/Propion-säure/Ölsäure (Masseverhältnis = 2:1:0.2) und in Gegenwart von Kaliumcarbonat (0.2 mol/l) 55 und Methyltrioctylammoniumchlorid (0.2 mol/l) benetzt, ausgeprägt mit Foulard, und acht Minu-A cotton fabric was wetted with a mixture of isopropenyl acetate / propionic acid / oleic acid (mass ratio = 2: 1: 0.2) and in the presence of potassium carbonate (0.2 mol / l) 55 and methyltrioctylammonium chloride (0.2 mol / l), precipitated with padding , and eight minutes
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