Alkydharze als Lackharze ohne fossilem Kohlenstoff 29. November 2012 Armin Michel Program Manager Sustainability DSM Coating Resins
Programm Einleitung Bio-Polymere Zwei Pioniere aus der Geschichte Biokunstoffe Cradle to Cradle (Von der "Wiege zur Wiege") Alkydharze ohne fossilem Kohlenstoff November 11, 2011 Der Kohlenstoff-Kreislauf Verschiedene Wege ein Ziel Was will/erwartet der Kunde Alkydharz, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen
Zwei Pioniere der bio-basierten Ökonomie Rembrandt (1606 oder 1607 1669) Seine Farben enthielten ölhaltige Bindemittel, die mit Hilfe von Eiweiß in Wasser dispergiert waren, sozusagen die allererste Alkydemulsion. You and I will see the day when auto bodies will be grown down on the farm Henry Ford. 2 Henry Ford (1863 1947) Er entwickelte das berühmte Soybean Car. Der Karosserie-Rahmen war aus Stahl, die Karosserie selbst war aus 14 Biokunstoff Paneelen aufgebaut. Die Kunststoff-Paneelen wahren aus Sojabohnen, Weizen, Hanf, Flachs und Ramiefasern aufgebaut. In seiner Zukunftsvision wachsen die Auto-Unterteile auf der Farm.
Bio-Kunststoffe Patentaktivitäten 3
Bio-Kunststoffe Verbrauchsprognose 4
Cradle to cradle (C2C) - Um was geht es überhaupt? 5
C2C - in aller Kürze! LCA LCA C2C Schwierig kontrol. demontieren Zurückgewinnung Wiederverwendung C2C Einfach erneuerbare Rohstoffe! Technocycle Biocycle 6
Programm Einleitung Bio-Polymere Zwei Pioniere aus der Geschichte Biokunstoffe Cradle to Cradle (Von der "Wiege zur Wiege") Alkydharze ohne fossilem Kohlenstoff November 11, 2011 Der Kohlenstoff-Kreislauf Verschiedene Wege ein Ziel Was will/erwartet der Kunde Alkydharz, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen
Der Kohlenstoff-Kreislauf CO 2 + Sonnenlicht/H 2 O Biomasse (CH 2 O) x Zeitraum: 50-500 Jahre Zeitraum: > 10 6 Jahre! Lacke & Chemikalien Produkte aus fossilem Ursprung Fossile Rohstoffe Rohöl Im Grunde genommen ist ALLEs erneuerbar; es ist nur eine Frage des Zeitraums. Echte biobasierte Produkte und Rohstoffe lassen sich durch die 14 C Radiokarbonmethode identifizieren. Beispiel: Altersbestimmung Neandertaler, Ötzi 8
Erneuerbarer Kohlenstoff Anteil (EKA) Lösungsmitteleffekt Alkyd 1: Pflanzl. Fettsäure (Soja) Sojaöl Glycerin Pentaerythritol Phthalsäureanhydrid Lackbenzin Alkyd 2: Pflanzl. Fettsäure (Soja) Sojaöl Glycerin Pentaerythritol Phthalsäureanhydrid Lackbenzin 9
Erhöhung des EKA s kommerziell erhältliche Bio-Alternativen Alkyd 3: Pflanzl. Fettsäure (Soja) Sojaöl Glycerin Bio-Pentaerythritol Phthalsäureanhydrid Lackbenzin Alkyd 4: Pflanzl. Fettsäure (Soja) Sojaöl Glycerin Bio-Pentaerythritol Phthalsäureanhydrid Ethanol (solvent) Bio-Diesel 10
Alkydharze als Lackharze ohne fossilem Kohlenstoff Ziel der Entwicklung: Ein Alkydharz mit einem erneuerbaren Kohlenstoff Anteil von > 95%. Eigenschaft des Alkydharz: Alkydharz mit einem Ölgehalt von 40 % und Produkteigenschaften, die vergleichbar sind mit handelsüblichen, kurzöligen Alkydemulsionen. Weiter Anforderungen an das Alkydharz sind eine relativ hohe Härteentwicklung und moderate Luftrocknungseigenschaften. 11
Was erwartet/will der Endverbraucher? (1) Übergangssituation 60 % B4 90 % Effizienz Heutige Situation: Handelsübliche Alkydharze (Emulsion, Lösungsmittel) End-Situation: 90 % Effizienz 90 % B4 Übergangssituation 90 % B4 60 % Effizienz B4 = biobased building block Professionelle Maler/Anstreicher Baukooperation 12
Was erwartet/will der Endverbraucher? (2) Übergangssituation 60 % B4 90 % Effizienz Heutige Situation: Handelsübliche Alkydharze (Emulsion, Lösungsmittel) End-Situation: 90 % Effizienz 90 % B4 Übergangssituation 90 % B4 60 % Effizienz Baumärkte/Heimwerker (z.b. Bricolage, B&Q) B4 = biobased building block 13
Der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Rohstoffen Key Parameter Bezieht sich auf Alkydharz (alt) Alkydharz (neu) Ölgehalt Öl (%) oder Fettsäure, chem. Trocknungsverhalten SOFA + konj. SOFA TOFA + DCO Fettsäureester Tg Phys. Trocknungsverhalten, Härteentwicklung Benzoesäure (3) Kolophonium (6) Delta (OHV-AV) Adhäsion, Pigmentbenetzung, Produzierbarkeit Penta (4) Glycerin (5), Isosorbide (7) O O O O O OH HO HO OH OH H 3 C CH 3 O OH O OH HO 1 2 O 3 4 5 6 H 3 C 7 O HO CH 3 HO OH O 14
Alkydharz mit 100 % erneuerbaren Kohlenstoff Ein erster Versuch Kurzöliges Alkydharz (40 %): Tallöl Fettsäure (TOFA) Bersteinsäure Anhydrid Glycerin Isosorbide Kolophonium Führt zu Problemen während der Alkydharzsynthese: - Phasenscheidung mit oder ohne Umesterung - Starke Verfärbung des Harzes bei der Verwendung von Kolofonium - Emulgierungsversuch fehgeschlagen --> Lackoberfläche ist viel zu weich! 15
Härteentwicklung in Alkydharzen - Kolophonium Nur eine geringer Anteil an Kolophonium kann eingebaut werden. Ein Zuviel an Kolophonium führt zu einer schlechten Wetterbeständigkeit und inhibiert die Lufttrocknung des Harzes. H 3 C CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C O H 3 C O OH OH plus Isomere 16
Erneuerbare harte Carbonsäuren (1) > Furan-2,5-dicarbonsäure (FDCS) Nachteile/Herausforderungen: - Dunkle Verfärbung einiger Polykondensate - Tendenz zur Phasenscheidung/Kristallisation - Inkompatibilität: 2 Harze in 1 Reaktor - FDCS noch nicht kommerziell verfügbar Allessandro Gandini: Die Kompatibilität mit den anderen Harzkomponentem (apolar) kann durch den Einsatz des Dimethylesters von FDCS erheblich verbessert werden. 17
Kommerzielle Verfügbarkeit von FDCS kommt die Verpackungsindustrie zur Hilfe? Das niederländische Forschungs- und Technologieunternehmen Avantium hat eine patentierte Technologie YXY entwickelt, mit der sich zu 100 % auf Pflanzenbasis beruhende PEF- Flaschen herstellen lassen. Zur Zeit wird als Polyester vor allem das auf Erdöl basierende PET eingesetzt. Mit Blick auf die Leistungsmerkmale des neuen PEF-Materials ist Avantium davon überzeugt, dass PEF das biobasierte Polyester der Zukunft werden wird. Heute gab das Unternehmen ein mit The Coca-Cola Company (NYSE:KO) geschlossenes Abkommen bekannt, die YXY Technologie von Avantium weiterzuentwickeln und auf die Herstellung von PEF-Flaschen auszuweiten. Zu den ersten wichtigen Schritten zählt die Gründung einer PEF-Pilotanlage von Avantium, die am 8. Dezember in Geleen, Niederlande, offiziell eröffnet wurde. 18
Nachrichten Sendung vom 19-12-2011 19
Erneuerbare harte Carbonsäuren (2) > Schellack Nachteile/Herausforderungen: - Sehr dunkle Farbe - Preis: 10-12/kg - 300.000 (weibliche) Lackschildläuse für 1kg Rohstoff! 20
Maisprotein Zein Zein: - MW ~ 40.000 Dalton - Tg >> 100 C - Wird bereits als Beschichtung für Brot eingesetzt - Immer noch sehr teuer für die Anwendung in Alkydharzen - Verwendung als Tensid möglich 21
Alkydharze, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen! - Interner Wetstreit Uralac Standard Alkyd Emulsion 22
Biogehalt Bestimmung durch 14 C Analyse 23
Alkydharze, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen! - Letzte Neuentwicklung 24
Vielen Dank Thank you