Alkydharze als Lackharze ohne

fossilem Kohlenstoff

29. November 2012

Armin Michel

Program Manager Sustainability

DSM Coating Resins

November 11, 2011

Programm

Einleitung Bio-Polymere

• Zwei Pioniere aus der „Geschichte“

• Biokunstoffe

• Cradle to Cradle® (Von der "Wiege zur Wiege")

Alkydharze ohne fossilem Kohlenstoff

• Der Kohlenstoff-Kreislauf

• Verschiedene Wege – ein Ziel

• Was will/erwartet der Kunde

• Alkydharz, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen

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Rembrandt (1606 oder 1607 – 1669)

Seine Farben enthielten ölhaltige Bindemittel, die mit Hilfe

von Eiweiß in Wasser dispergiert waren, sozusagen die

allererste Alkydemulsion.

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.

Zwei Pioniere der bio-basierten „Ökonomie“

“You and I will see the day when auto bodies will be

grown down on the farm – Henry Ford.”

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Bio-Kunststoffe – Patentaktivitäten

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Bio-Kunststoffe – Verbrauchsprognose

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Cradle to cradle® (C2C) - Um was geht es überhaupt?

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Seite

LCA LCA

Schwierig

kontrol. demontieren Zurückgewinnung

Wiederverwendung

Einfach

erneuerbare Rohstoffe!

C2C C2C

Technocycle Biocycle

C2C - in aller Kürze!

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November 11, 2011

Programm

Einleitung Bio-Polymere

• Zwei Pioniere aus der „Geschichte“

• Biokunstoffe

• Cradle to Cradle® (Von der "Wiege zur Wiege")

Alkydharze ohne fossilem Kohlenstoff

• Der Kohlenstoff-Kreislauf

• Verschiedene Wege – ein Ziel

• Was will/erwartet der Kunde

• Alkydharz, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen

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Lacke &

Chemikalien

CO2

Zeitraum:

50-500 Jahre

Der Kohlenstoff-Kreislauf

+ Sonnenlicht/H2O Biomasse

(CH2O)x

Zeitraum:

> 106 Jahre!

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

14C Radiokarbonmethode identifizieren.

Beispiel: Altersbestimmung Neandertaler, Ötzi

Produkte aus fossilem Ursprung

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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

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Seite

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

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Seite

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.

Alkydharze als Lackharze ohne fossilem Kohlenstoff

Ziel der Entwicklung:

Ein Alkydharz mit einem erneuerbaren Kohlenstoff Anteil von > 95%.

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Heutige Situation:

Handelsübliche Alkydharze

(Emulsion, Lösungsmittel)

Übergangssituation

90 % B4

60 % Effizienz

Übergangssituation

60 % B4

90 % Effizienz

End-Situation:

90 % Effizienz

90 % B4

Professionelle Maler/Anstreicher

Baukooperation

Was erwartet/will der Endverbraucher? (1)

B4 = biobased building block

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Heutige Situation:

Handelsübliche Alkydharze

(Emulsion, Lösungsmittel)

Übergangssituation

90 % B4

60 % Effizienz

Übergangssituation

60 % B4

90 % Effizienz

End-Situation:

90 % Effizienz

90 % B4

Baumärkte/Heimwerker (z.B. Bricolage, B&Q)

Was erwartet/will der Endverbraucher? (2)

B4 = biobased building block

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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

OH

OHCH3

CH3

O

OH

CH3

CH3

O

O

O

O

O

O

O OH OH

OH

OH

OH

OH

OHOH1 2 3 4 5 6 7

Der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Rohstoffen

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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

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--> Lackoberfläche ist viel zu weich!

Seite

Härteentwicklung in Alkydharzen - Kolophonium

CH3 CH3

CH3

OH

O

CH3

CH3 CH3

CH3

OH

O

CH3

• Nur eine geringer Anteil an Kolophonium kann eingebaut werden.

• Ein Zuviel an Kolophonium führt zu einer schlechten Wetterbeständigkeit

und inhibiert die Lufttrocknung des Harzes.

plus Isomere

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Seite

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

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Kommerzielle Verfügbarkeit von FDCS – kommt die Verpackungsindustrie zur Hilfe?

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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.

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Nachrichten Sendung vom 19-12-2011

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Seite

Nachteile/Herausforderungen:

- Sehr dunkle Farbe

- Preis: € 10-12/kg

- 300.000 (weibliche) Lackschildläuse für 1kg Rohstoff!

Erneuerbare ‚harte‘ Carbonsäuren (2)

> Schellack

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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

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Seite

Alkydharze, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen!

- ‚Interner Wetstreit‘…

Alkyd

Emulsion

Uralac

Standard

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Biogehalt Bestimmung durch 14C Analyse

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Seite 24

Alkydharze, zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen!

- Letzte Neuentwicklung …

Vielen Dank

Thank you