DE102011016918B4 - Solvent-free epoxy resin mixture, process for their preparation and their use - Google Patents

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Abstract

Lösungsmittelfreie Epoxidharzmischung mit einem Gehalt an Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen von mindestens 70 Gew.-% enthaltend: • 20 bis 90 Gew.-% mindestens einer multifunktionalen Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente, • 10 bis 80 Gew.-% einer Kombination aus i.) mindestens einem multifunktionalen aromatischen Monomer mit phenolischen Hydroxyl-Gruppen; und ii.) multifunktionalen Oligomeren und/oder Polymeren hiervon, als Vernetzer, und • einen Aktivator für die Vernetzung.Solvent-free epoxy resin mixture containing at least 70% by weight of components of renewable raw materials comprising: 20 to 90% by weight of at least one multifunctional glycidyl compound from renewable raw materials as component to be crosslinked, 10 to 80% by weight of a combination of i.) at least one multifunctional aromatic monomer having phenolic hydroxyl groups; and ii.) multifunctional oligomers and / or polymers thereof, as crosslinkers, and • an activator for crosslinking.

Description

Die Erfindung betrifft eine lösungsmittelfreie Epoxidharzmischung mit einem Gehalt an Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen von mindestens 70 Gew.-%. Die Epoxidharzmischung enthält dabei mindestens eine multifunktionale Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente, mindestens einen multifunktionalen Vernetzer sowie einen Aktivator. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Epoxidharzmischungen. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Epoxidharzmischungen zur Herstellung von härtbaren Formmassen, Textilfliesen oder Prepregs durch Aushärtung der Epoxidharzmischung.The invention relates to a solvent-free epoxy resin mixture with a content of components of renewable raw materials of at least 70 wt .-%. The epoxy resin mixture contains at least one multifunctional glycidyl compound from renewable resources as the component to be crosslinked, at least one multifunctional crosslinker and an activator. Likewise, the invention relates to a method for producing such epoxy resin mixtures. Use find the epoxy resin mixtures according to the invention for the production of curable molding compositions, textile tiles or prepregs by curing the epoxy resin mixture.

Epoxidharzmischungen zur Herstellung von härtbaren Formmassen sind bereits aus der DE 696 06 052 T2 bekannt. Auch die DE 11 2007 002 864 T5 beschreibt schon Epoxidharzmischungen als Polymermaterial. Die Zusammensetzung der aus dem Stand der Technik bekannten Epoxidharzmischungen sind jedoch nicht optimal, wenn nachwachsende Rohstoffe in einem möglichst großen Anteil zu ihrer Herstellung verwendet werden sollen.Epoxy resin mixtures for the preparation of curable molding compositions are already known from DE 696 06 052 T2 known. Also the DE 11 2007 002 864 T5 already describes epoxy resin mixtures as polymer material. However, the composition of the known from the prior art epoxy resin mixtures are not optimal when renewable raw materials are to be used in the largest possible proportion for their production.

Das derzeit bestehende Interesse an der Entwicklung von Polymerwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen, d. h. Polymerwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen, ist gegenwärtig im Bereich thermoplastisch verarbeitbarer Polymere besonders stark ausgeprägt. Als bemerkenswertes Beispiel kann in diesem Zusammenhang auf die PLA-Entwicklung verwiesen werden. Ungeachtet dessen ist aber auch eine Entwicklung „grüner” Harze für Duromerwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu erkennen. Hierbei sind aus kommerzieller Sicht insbesondere Produkte auf der Basis epoxidierter Pflanzenöle entwickelt worden, die sich in den Bereichen Epoxidharze und Polyole für Schäume auf PU-Basis etablieren konnten. Ein dritter Harztyp leitet sich strukturell von Acrylatestern solcher Polyole ab.The current interest in the development of polymer materials from renewable raw materials, d. H. Polymer materials from renewable raw materials, is currently particularly pronounced in the field of thermoplastically processable polymers. As a notable example, reference may be made to PLA development in this context. In spite of this, however, there is also evidence of the development of "green" resins for thermoset materials from renewable raw materials. Here, in particular, products based on epoxidized vegetable oils have been developed from a commercial point of view, which have been able to establish themselves in the fields of epoxy resins and polyols for PU-based foams. A third type of resin is structurally derived from acrylate esters of such polyols.

Im Kontext von Harzsystemen aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnt auch das bereits vor vielen Jahren untersuchte Lignin wieder an Bedeutung. Als Gründe dafür lassen sich im Wesentlichen vier Aspekte benennen. Zum einen wächst die Nachfrage an Zellstoff sowie die daran gekoppelte Überproduktion an ligninhaltiger Schwarzlauge. Deren thermische Verwertung ist jedoch durch die Kapazitäten der installierten Verbrennungsanlagen begrenzt. Eine Nachrüstung kommt aus ökonomischen Gründen nicht immer in Betracht, sodass aus dieser Situation heraus auch ein Interesse an stofflichen Verwertungskonzepten für Lignin erwächst. Als zweiter Grund sind technische Entwicklungen zu sehen, mit deren Hilfe Lignine aus Schwarzlauge effektiver isoliert werden können. Punkt drei stellt auf die Gewinnung schwefelfreier Lignine ab. Diese würden den Ligninmarkt ganz wesentlich ergänzen, der sich neben einigen Anwendungen für Kraftlignin (1–3% Schwefel) vor allem auf Lignosulfonate aus den Sulfitprozessen spezialisiert hat. Ein vierter Grund kann durchaus auch in der Tatsache gesehen werden, dass es sich bei Lignin um einen biobasierten Rohstoff ohne Ernährungswert handelt.In the context of resin systems made from renewable raw materials, lignin, which was investigated many years ago, is also gaining in importance. There are four main reasons for this. On the one hand, demand for pulp and the associated overproduction of lignocellulosic black liquor are growing. However, their thermal utilization is limited by the capacities of the installed incinerators. Retrofitting is not always considered for economic reasons, so that arises from this situation, an interest in material recovery concepts for lignin. Secondly, there are technical developments that can more effectively isolate lignins from black liquor. Point three focuses on the extraction of sulfur-free lignins. These would very much complement the lignin market, which, in addition to some applications for kraft lignin (1-3% sulfur), has specialized mainly in lignosulfonates from the sulfite processes. A fourth reason can also be seen in the fact that lignin is a biobased raw material without nutritional value.

Die Nutzung von Lignin als Komponente aus nachwachsenden Rohstoffen für die Entwicklung verschiedener Harztypen, wie PF-, UF-, MF-, EP-, PU-, oder auch UP-Harze ist untersucht worden. Einen Schwerpunkt dabei bildeten Epoxidharze und die sich davon ableitenden Duromere und Komposite. Neben der Verwendung von Lignin selbst sind auch Mischungen mit anderen Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Pflanzenölen, Holzharzen, Polysacchariden, Tanninen und deren Kombinationen in der US 5,833,883 A beschrieben worden. Die Entwicklung ligninhaltiger Epoxidharze ist durch verschiedene Schwerpunkte gekennzeichnet, wobei grundsätzlich zwischen der Verwendung von Lignin einerseits bzw. Ligninderivaten andererseits zu differenzieren ist. Lignin kann nun wiederum in einer aktivierten Form eingesetzt werden, wobei eine Aktivierung durch Justieren des pH-Wertes während der Ligninisolierung erfolgt ( US 3,149,085 A ). Ligninderivatisierung fokussiert auf Umsetzungen von Lignin selbst oder Reaktionen mit Gemischen aus Lignin und Co-Komponenten. Das Einfügen reaktiver Epoxygruppen in Lignin erfolgt meistens durch Umsetzungen mit Epichlorhydrin. Eine zweite Alternative stellt die Veresterung mit α,β-ungesättigten Carbonylgruppen und anschließender Oxidation der Doppelbindung zum Oxiranring dar. Nicht modifizierte Lignine dienen vorzugsweise der Vernetzung multifunktionaler Glycidylether. Auch die Vernetzung von Ligninglycidylethern durch Lignin ist beschrieben worden.The use of lignin as a component of renewable raw materials for the development of various resin types, such as PF, UF, MF, EP, PU, or UP resins has been investigated. Emphasis was placed on epoxy resins and the resulting thermosets and composites. In addition to the use of lignin itself are also mixtures with other materials from renewable resources, such as vegetable oils, wood resins, polysaccharides, tannins and their combinations in the US 5,833,883 A been described. The development of lignocellulosic epoxy resins is characterized by various emphases, and in principle it is necessary to differentiate between the use of lignin on the one hand and lignin derivatives on the other hand. Lignin can now be used again in an activated form, wherein an activation by adjustment of the pH during lignin isolation takes place ( US 3,149,085 A ). Lignin derivatization focuses on reactions of lignin itself or reactions with mixtures of lignin and co-components. The insertion of reactive epoxy groups in lignin is usually carried out by reactions with epichlorohydrin. A second alternative is the esterification with α, β-unsaturated carbonyl groups and subsequent oxidation of the double bond to the oxirane ring. Unmodified lignins are preferably used for the crosslinking of multifunctional glycidyl ethers. The crosslinking of lignin glycidyl ethers by lignin has also been described.

Bei den Ligninen spielen schwefelfreie Lignine eine wichtige Rolle. Häufig bevorzugte Molekulargewichte liegen im Bereich zwischen ca. 300 bis 2000 g/mol. Um einen ausreichenden Vernetzungsgrad durch Lignin gewährleisten zu können, sind vergleichsweise hohe Ligningehalte notwendig, sie werden teilweise mit bis zu 60% angegeben.Sulfur-free lignins play an important role in lignins. Frequently preferred molecular weights are in the range between about 300 to 2000 g / mol. In order to ensure a sufficient degree of crosslinking by lignin, comparatively high lignin contents are necessary, they are sometimes given up to 60%.

Die Verwendung von Ligninen, auch niedermolekulareren Ligninfraktionen, oder ähnlich strukturierten Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen in der Größenordnung bis zu 60% für die Herstellung lösungsmittelfreier Epoxidharze ist durch eine vergleichsweise hohe Harzviskosität gekennzeichnet. Diese führt zu Beeinträchtigungen bei der Verarbeitung zu Duromeren und Kompositen. Das betrifft sowohl Okklusion von Luftblasen als auch nicht ausreichende Benetzbarkeit bzw. Durchtränkung von Fasern, Geweben, etc. The use of lignins, even low molecular weight lignin fractions, or similarly structured polymers of renewable raw materials in the order of up to 60% for the production of solvent-free epoxy resins is characterized by a relatively high resin viscosity. This leads to impairments during processing to duromers and composites. This concerns both occlusion of air bubbles as well as insufficient wettability or impregnation of fibers, fabrics, etc.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, lösungsmittelfreie Epoxidharze aus nachwachsenden Rohstoffen bereitzustellen, die zu Duromeren und Kompositen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften führen.Based on this, it was an object of the present invention to provide solvent-free epoxy resins from renewable raw materials, which lead to thermosets and composites with very good mechanical properties.

Diese Aufgabe wird durch die lösungsmittelfreie Epoxidharzmischung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung derartiger Epoxidharzmischungen mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. In Anspruch 14 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This object is achieved by the solvent-free epoxy resin mixture with the features of claim 1 and by the method for producing such epoxy resin mixtures having the features of claim 9. In claim 14 uses of the invention are given. The other dependent claims show advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird eine lösungsmittelfreie Epoxidharzmischung mit einem Gehalt an Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen von mindestens 70 Gew.-% bereitgestellt, die folgende Komponenten enthält:

  • • 20 bis 90 Gew.-% mindestens einer multifunktionalen Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente,
  • • 10 bis 80 Gew.-% einer Kombination aus mindestens einem multifunktionalen aromatischen Monomer mit phenolischen Hydroxid-Gruppen sowie Oligomeren und/oder Polymeren hiervon als Vernetzer und
  • • einen Aktivator für die Vernetzung.
According to the invention, a solvent-free epoxy resin mixture with a content of renewable raw materials of at least 70% by weight is provided which contains the following components:
  • 20 to 90% by weight of at least one multifunctional glycidyl compound from renewable raw materials as the component to be crosslinked,
  • 10 to 80 wt .-% of a combination of at least one multifunctional aromatic monomer having phenolic hydroxide groups and oligomers and / or polymers thereof as crosslinking agents and
  • • an activator for networking.

Unter multifunktionalen Gycidylverbindungen oder multifunktionalen Monomeren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche Verbindungen zu verstehen, die mindestens zwei Glycidylverbindungen aufweisen.In the context of the present invention, multifunctional glycidyl compounds or multifunctional monomers are to be understood as meaning compounds which have at least two glycidyl compounds.

Vorzugsweise ist die mindestens eine multifunktionale Glycidylverbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

  • • Glycidylethern, bevorzugt hergestellt aus einem multifunktionalen C1-C20-Alkohol, einem multifunktionalen C1-C20-Amin oder einem C1-C20-Aminoalkohol, besonders bevorzugt hergestellt aus einem multifunktionalen C1-C10-Alkohol, einem multifunktionalen C1-C10-Amin oder einem C1-C10-Aminoalkohol,
  • • Glycidylestern, bevorzugt hergestellt aus einer multifunktionalen C1-C20-Carbonsäure, besonders bevorzugt hergestellt aus einer multifunktionalen C1-C10-Carbonsäure oder
  • • Mischungen hiervon, insbesondere mit 5 bis 95 Gew.-% Glycidylether und 95 bis 5 Gew.-% Glycidylester.
Preferably, the at least one multifunctional glycidyl compound is selected from the group consisting of:
  • Glycidyl ethers, preferably prepared from a multifunctional C 1 -C 20 -alcohol, a multifunctional C 1 -C 20 amine or a C 1 -C 20 -aminoalcohol, more preferably prepared from a multifunctional C 1 -C 10 -alcohol, a multifunctional C 1 -C 10 amine or a C 1 -C 10 aminoalcohol,
  • Glycidyl esters, preferably prepared from a multifunctional C 1 -C 20 carboxylic acid, more preferably prepared from a multifunctional C 1 -C 10 carboxylic acid or
  • Mixtures thereof, in particular with 5 to 95% by weight of glycidyl ether and 95 to 5% by weight of glycidyl ester.

Der Vernetzer ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

  • • den Polymeren Lignin und dessen Derivaten, insbesondere Lignin aus Kraft-Prozessen, schwefelfreien Ligninen und Tanninen,
  • • aus den Polymeren Lignin und dessen Derivaten, insbesondere durch Extraktion mit wässrigen und/oder organischen Lösungsmitteln, gewonnenen Oligomeren,
  • • aus den Polymeren Lignin und dessen Derivaten durch chemischen Abbau der Polymere gewonnenen multifunktionalen Monomeren mit mindestens zwei Hydroxylgruppen, insbesondere Pyrogallol sowie
  • • Mischungen hiervon.
The crosslinker is preferably selected from the group consisting of
  • The polymers lignin and its derivatives, in particular lignin from kraft processes, sulfur-free lignins and tannins,
  • • Oligomers obtained from the polymers lignin and its derivatives, in particular by extraction with aqueous and / or organic solvents,
  • • from the polymers lignin and its derivatives by chemical degradation of the polymers obtained multifunctional monomers having at least two hydroxyl groups, in particular pyrogallol and
  • • mixtures thereof.

Als Vernetzer der multifunktionalen Glycidylether fungieren bevorzugt biobasierte aromatische Polymere, Oligomere (bevorzugt) und Monomere (bevorzugt) mit hohen OH-Zahlen phenolischer OH-Gruppen. Bei den Polymeren handelt es sich um Lignine aus Kraft-Prozessen, schwefelfreien Ligninen und Tanninen. Oligomere können aus diesen Polymeren durch Extraktion mit wässrigen Flüssigkeiten oder organischen Lösungsmitteln unter definierten Bedingungen isoliert werden. Bevorzugt sind Molekulargewichte im Bereich zwischen 200 bis 3000 g/mol. Die Monomere aus nachwachsenden Rohstoffen gehören zu den strukturgleichen und strukturverwandten Monomeren von Ligninen und Tanninen, sich davon strukturell ableitenden Substanzen sowie anderen in der Natur vorkommenden aromatischen Verbindungen. Sie sind durch mindestens zwei phenolische OH-Gruppen gekennzeichnet. Zusätzlich können weitere funktionelle Gruppen enthalten sein, die idealerweise die Netzwerkbildung unterstützen, wie aliphatische OH-Gruppen, aliphatische und aromatische Carboxylgruppen oder Kombinationen hiervon. Als Beispiele gelten Benzcatechin (1,2-Dihydroxybenzol), Protocatechualkohol (3,4-Dihydroxybenzylalkohol) und Protocatechusäure (3,4-Dihydroxybenzoesäure). Aber auch monomere Verbindungen der Tannine verfügen über eine vergleichsweise hohe Zahl an phenolischen OH-Gruppen, die zur Ausbildung dreidimensionaler Polymernetzwerke geeignet sind. Gallussäure (3,4,5-Trihydroxybenzoesäure) ist ein wesentlicher Bestandteil der hydrolysierbaren Tannine (Trigalloylglucose, Chebulinic acid), die durch Decarboxylierung zu Pyrogallol (1,2,3-Trihydroxybenzol) umgewandelt werden kann. Monomere Verbindungen aus den kondensierten Tanninen wären beispielsweise Catechin (Flavan-3-ol) und seine Derivate. Die niedermolekularen Abbauprodukte von Ligninen und Tanninen durch hydrolytische, solvolytische, oxidative und reduktive Reaktionsschritte sowie Gemische hiervon gelten ebenfalls als Monomere im Sinne dieser Erfindung. Die beschriebenen Komponenten, Oligomere und Monomere werden vorzugsweise in Kombination eingesetzt.As crosslinkers of the multifunctional glycidyl ether, preference is given to using bio-based aromatic polymers, oligomers (preferred) and monomers (preferred) having high OH numbers of phenolic OH groups. The polymers are lignins from Kraft processes, sulfur-free lignins and tannins. Oligomers can be isolated from these polymers by extraction with aqueous liquids or organic solvents under defined conditions. Preference is given to molecular weights in the range from 200 to 3000 g / mol. The monomers of renewable raw materials belong to the structurally identical and structurally related monomers of lignins and tannins, of which structurally dissipative substances and other naturally occurring aromatic compounds. They are characterized by at least two phenolic OH groups. In addition, other functional groups can be included which ideally support network formation, such as aliphatic OH groups, aliphatic and aromatic carboxyl groups, or combinations thereof. Examples include catechol (1,2-dihydroxybenzene), protocatechalcohol (3,4-dihydroxybenzyl alcohol) and protocatechuic acid (3,4-dihydroxybenzoic acid). But also monomeric compounds of tannins have a relatively high number of phenolic OH groups, which are suitable for the formation of three-dimensional polymer networks. Gallic acid (3,4,5- Trihydroxybenzoic acid) is an essential component of hydrolyzable tannins (trigalloyl glucose, chebulinic acid), which can be converted by decarboxylation to pyrogallol (1,2,3-trihydroxybenzene). Monomeric compounds from the condensed tannins would be, for example, catechol (flavan-3-ol) and its derivatives. The low molecular weight degradation products of lignins and tannins by hydrolytic, solvolytic, oxidative and reductive reaction steps and mixtures thereof are also considered as monomers in the context of this invention. The described components, oligomers and monomers are preferably used in combination.

Die als Vernetzer eingesetzten Oligomere sind vorzugsweise ausgewählt aus niedermolekularen Fraktionen der Extraktion mit einem mittleren Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 3000 g/mol, bevorzugt 200 bis 2000 g/mol und besonders bevorzugt 200 bis 1500 g/mol.The oligomers used as crosslinkers are preferably selected from low molecular weight fractions of the extraction having an average molecular weight in the range of 200 to 3000 g / mol, preferably 200 to 2000 g / mol and more preferably 200 to 1500 g / mol.

Vorzugsweise beträgt das Stoffmengenverhältnis der Hydroxylgruppen der Oligomere zu den Hydroxylgruppen der Monomere (nOH-Oligomer/nOH-Monomer) von 1 bis 99%, bevorzugt von 20 bis 80% und besonders bevorzugt von 30 bis 70%.The molar ratio of the hydroxyl groups of the oligomers is preferably to the hydroxyl groups of the monomers (n OH oligomer / n OH monomer) from 1 to 99%, preferably from 20 to 80% and particularly preferably from 30 to 70%.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Stoffmengenverhältnis der Hydroxylgruppen des mindestens einen Vernetzers zu den Glycidylether- und Glycidylestergruppen der mindestens einen zu vernetzenden Komponente (nOH/nGlycidyl) von 50 bis 150%, bevorzugt von 90 bis 140% und besonders bevorzugt von 95 bis 135% beträgt.It is furthermore preferred that the molar ratio of the hydroxyl groups of the at least one crosslinker to the glycidyl ether and glycidyl ester groups of the at least one component to be crosslinked (n OH / n glycidyl ) is from 50 to 150%, preferably from 90 to 140% and particularly preferably from 95 up to 135%.

Der Aktivator ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der:

  • • Amine, insbesondere der tertiären Amine,
  • • Stickstoffheterocyclen, insbesondere Imidazole, Epoxy-Imidazol-Addukte, Metallsalz-Imidazol-Komplexe, Umsetzungsprodukten von Imidazol mit Protonendonatoren
  • • Carboxylate sowie
  • • Mischungen hiervon.
The activator is preferably selected from the group of:
  • Amines, in particular the tertiary amines,
  • Nitrogen heterocycles, in particular imidazoles, epoxy-imidazole adducts, metal salt-imidazole complexes, reaction products of imidazole with proton donors
  • • Carboxylates as well
  • • mixtures thereof.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die kombinierte Verwendung von Oligomeren bzw. Oligomerengemischen und Monomeren bzw. Monomerengemischen für die Vernetzung multifunktionaler Glycidylether aus nachwachsenden Rohstoffen in bestimmten Mischungsverhältnissen in synergetischer Weise die Eigenschaften der daraus herstellbaren Duromere besser sind als die Eigenschaften der Duromere, hergestellt mit jeweils einer Vernetzerkomponente (Oligomer bzw. Oligomergemisch oder Monomer bzw. Monomergemisch) und jeweils gleicher Anzahl an OH-Gruppen.Surprisingly, it has been shown that the properties of the duromers obtainable therefrom are better than the properties of the thermosets produced by the combined use of oligomers or oligomer mixtures and monomers or monomer mixtures for the crosslinking of multifunctional glycidyl ethers from renewable raw materials in certain mixing ratios in each case one crosslinker component (oligomer or oligomer mixture or monomer or monomer mixture) and in each case the same number of OH groups.

Vorzugsweise ist die Epoxidharzmischung frei von Bisphenol A.Preferably, the epoxy resin mixture is free of bisphenol A.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Epoxidharzmischungen bereitgestellt, bei dem die mindestens eine multifunktionale Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente, eine Kombination aus mindestens einem multifunktionalen aromatischen Monomer mit phenolischen Hydroxid-Gruppen und dessen multifunktionalen Oligomeren und/oder Polymeren als Vernetzer und ein Aktivator für die Vernetzung in einem organischen Lösungsmittel oder in einer Oligomerlösung gelöst werden und anschließend das Lösungsmittel mittels Vakuum entfernt wird.The invention also provides a process for the preparation of the above-described epoxy resin mixtures in which the at least one multifunctional glycidyl compound from renewable raw materials as the component to be crosslinked, a combination of at least one multifunctional aromatic monomer with phenolic hydroxide groups and its multifunctional oligomers and / or polymers as Crosslinker and an activator for the crosslinking are dissolved in an organic solvent or in an oligomer solution and then the solvent is removed by means of vacuum.

Vorzugsweise werden als Lösungsmittel Aceton, Methylethylketon (MEK), Dioxan, Tetrahydrofuran, Chloroform, Dichlormethan, Essigsäureethylester, Ethanol, Methanol, Propanol und Mischungen hiervon eingesetzt. Dabei wird dann das Lösungsmittel vorzugsweise bei Temperaturen von 30 bis 90°C im Vakuum entfernt.The solvents used are preferably acetone, methyl ethyl ketone (MEK), dioxane, tetrahydrofuran, chloroform, dichloromethane, ethyl acetate, ethanol, methanol, propanol and mixtures thereof. In this case, the solvent is then preferably removed at temperatures of 30 to 90 ° C in vacuo.

Verwendung finden die erfindungsgemäßen Epoxidharzmischungen zur Herstellung von härtbaren Formmassen, Textilfliesen oder Prepregs durch Aushärtung der Epoxidharzmischung.Use find the epoxy resin mixtures according to the invention for the production of curable molding compositions, textile tiles or prepregs by curing the epoxy resin mixture.

Vorzugsweise erfolgt die Aushärtung dabei bei Temperaturen von 30 bis 250°C, bevorzugt von 60 bis 200°C und besonders bevorzugt von 90 bis 180°C.The curing is preferably carried out at temperatures of 30 to 250 ° C, preferably from 60 to 200 ° C and particularly preferably from 90 to 180 ° C.

Anhand der nachfolgenden Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.The subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following examples, without wishing to restrict it to the specific embodiments shown here.

Beispiel 1example 1

Duromerethermosets

19,35 g einer getrockneten Acetonfraktion des Softwood-Kraft-Lignins Indulin AT (MW = 2000 g/mol) wird in 100 ml getrocknetem Aceton gelöst. Danach werden 45 g Glycerin-1,3-diglycidylether, X g Pyrogallol und 0,95 g Imidazol zugegeben. Die homogene Lösung wird vollständig vom Lösungsmittel befreit, man erhält eine homogene Flüssigkeit, die anschließend in ein Formwerkzeug gefüllt und dort 2 Stunden bei 80°C und 3 Stunden bei Y°C ausgehärtet wird. X und Y sowie die Ergebnisse zur Charakterisierung sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Ergebnisse der mechanischen Charakterisierung an Duromeren X [g] Y [°C] σ [MPa] E [MPa] ε [%] Tg [°C] HDT-A [°C] 0 80 1,34 ± 0,12 10,24 ± 0,26 23 ± 2 21,2 - 0 120 5,77 ± 0,24 115 ± 14 20 ± 3 20,6 34,1 6,45 120 73,98 ± 1,72 3098 ± 76 4,04 ± 0,2 57,3 47,2 12,9 120 86,35 ± 6,7 3638 ± 231 3,27 ± 0,19 61,9 49,1 6,45 160 52,99 ± 10,56 3335 ± 230 2,04 ± 0,5 60,5 43,7 12,9 160 69,82 ± 8,81 3355 ± 54 2,97 ± 0,53 66,3 48,2 19.35 g of a dried acetone fraction of softwood kraft lignin Indulin AT (MW = 2000 g / mol) is dissolved in 100 ml of dried acetone. Thereafter, 45 g of glycerol-1,3-diglycidyl ether, X g of pyrogallol and 0.95 g of imidazole are added. The homogeneous solution is completely freed from the solvent to obtain a homogeneous liquid, which is then filled in a mold and cured there for 2 hours at 80 ° C and 3 hours at Y ° C. X and Y and the results for characterization are given in Table 1. Table 1 Results of the mechanical characterization of thermosets X [g] Y [° C] σ [MPa] E [MPa] ε [%] Tg [° C] HDT-A [° C] 0 80 1.34 ± 0.12 10.24 ± 0.26 23 ± 2 21.2 - 0 120 5.77 ± 0.24 115 ± 14 20 ± 3 20.6 34.1 6.45 120 73.98 ± 1.72 3098 ± 76 4.04 ± 0.2 57.3 47.2 12.9 120 86.35 ± 6.7 3638 ± 231 3.27 ± 0.19 61.9 49.1 6.45 160 52.99 ± 10.56 3335 ± 230 2.04 ± 0.5 60.5 43.7 12.9 160 69.82 ± 8.81 3355 ± 54 2.97 ± 0.53 66.3 48.2

Beispiel 2Example 2

Unidirektionale KompositeUnidirectional composites

Eine Cellulose-Regeneratfaser wird durch ein Harz (s. Beispiel 1), welches auf 50 bis 60°C temperiert wurde, gezogen; anschließend erfolgt das Bewickeln eines Trägers. Die Zahl der Wicklungen lässt sich durch ein Zählwerk kontrollieren.A cellulose regenerated fiber is drawn through a resin (see Example 1) which has been heated to 50 to 60 ° C; then the winding of a carrier takes place. The number of windings can be controlled by a counter.

Nach Beendigung des Wickelprozesses wird der bewickelte Träger unverzüglich in eine Pressform verbracht. Die Aushärtung erfolgt unter Druck und den in Beispiel 1 angegebenen Temperaturen; überschüssiges Harz wird aus der Form geleitet. Die so entstandenen unidirektionalen Komposite lassen sich vom Träger entfernen, auf Maß schneiden und der Charakterisierung zuführen. X und Y sowie die Ergebnisse zur Charakterisierung sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2 Ergebnisse der mechanischen Charakterisierung an unidirektionalen Kompositen X [g] Y [°C] σ [MPa] E [MPa] ε [%] Tg [°C] HDT-A [°C] 0 120 128 ± 5 6700 ± 230 3,50 ± 0,2 38 160 9,67 120 180 ± 18 10500 ± 980 3,30 ± 0,2 44 124 12,9 120 208 ± 11 12500 ± 520 3,20 ± 0,6 58 - After completion of the winding process, the wound carrier is immediately placed in a mold. The curing takes place under pressure and the temperatures given in Example 1; excess resin is passed out of the mold. The resulting unidirectional composites can be removed from the support, cut to size and subjected to characterization. X and Y and the results for characterization are given in Table 2. Table 2 Results of mechanical characterization on unidirectional composites X [g] Y [° C] σ [MPa] E [MPa] ε [%] Tg [° C] HDT-A [° C] 0 120 128 ± 5 6700 ± 230 3.50 ± 0.2 38 160 9.67 120 180 ± 18 10500 ± 980 3.30 ± 0.2 44 124 12.9 120 208 ± 11 12500 ± 520 3.20 ± 0.6 58 -

Claims (15)

Lösungsmittelfreie Epoxidharzmischung mit einem Gehalt an Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen von mindestens 70 Gew.-% enthaltend: • 20 bis 90 Gew.-% mindestens einer multifunktionalen Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente, • 10 bis 80 Gew.-% einer Kombination aus i.) mindestens einem multifunktionalen aromatischen Monomer mit phenolischen Hydroxyl-Gruppen; und ii.) multifunktionalen Oligomeren und/oder Polymeren hiervon, als Vernetzer, und • einen Aktivator für die Vernetzung.Solvent-free epoxy resin mixture containing at least 70% by weight of components of renewable raw materials comprising: 20 to 90% by weight of at least one multifunctional glycidyl compound from renewable raw materials as component to be crosslinked, 10 to 80% by weight of a combination of i.) at least one multifunctional aromatic monomer having phenolic hydroxyl groups; and ii.) multifunctional oligomers and / or polymers thereof, as crosslinkers, and • an activator for crosslinking. Epoxidharzmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine multifunktionale Glycidylverbindung ausgewählt ist aus: • Glycidylethern, insbesondere hergestellt aus einem multifunktionalen C1-C20-Alkohol, einem multifunktionalen C1-C20-Amin oder einem C1-C20-Aminoalkohol, • Glycidylestern, insbesondere hergestellt aus einer multifunktionalen C1-C20-Carbonsäure, oder • Mischungen hiervon, insbesondere mit 5 bis 95 Gew.-% Glycidylether und 95 bis 5 Gew.-% Glycidylester.Epoxy resin mixture according to claim 1, characterized in that the at least one multifunctional glycidyl compound is selected from: • glycidyl ethers, in particular prepared from a multifunctional C 1 -C 20 -alcohol, a multifunctional C 1 -C 20 amine or a C 1 -C 20 -Amino alcohol, • glycidyl esters, in particular prepared from a multifunctional C 1 -C 20 -carboxylic acid, or • mixtures thereof, in particular with 5 to 95% by weight of glycidyl ether and 95 to 5% by weight of glycidyl ester. Epoxidharzmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernetzer ausgewählt ist aus: • den Polymeren Lignin und dessen Derivaten, insbesondere Lignin aus Kraft-Prozessen, schwefelfreien Ligninen und Tanninen, • aus den Polymeren Lignin und dessen Derivaten, insbesondere durch Extraktion mit wässrigen und/oder organischen Lösungsmitteln, gewonnenen Oligomeren, • aus den Polymeren Lignin und dessen Derivaten durch chemischen Abbau der Polymere gewonnene Monomere mit mindestens zwei Hydroxylgruppen, insbesondere Pyrogallol, sowie • Mischungen hiervon.Epoxy resin mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the crosslinker is selected from: • the polymers lignin and its derivatives, in particular lignin from Kraft processes, sulfur-free lignins and tannins, • from the polymers lignin and its derivatives, in particular by extraction with aqueous and / or organic solvents, oligomers obtained, • from the polymers lignin and its derivatives by chemical degradation of the polymers obtained monomers having at least two hydroxyl groups, in particular pyrogallol, and mixtures thereof. Epoxidharzmischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oligomere ausgewählt sind aus niedermolekularen Fraktionen der Extraktion mit einem mittleren Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 3000 g/mol, bevorzugt 200 bis 2000 g/mol und besonders bevorzugt 200 bis 1500 g/mol.Epoxy resin mixture according to claim 3, characterized in that the oligomers are selected from low molecular weight fractions of the extraction having an average molecular weight in the range of 200 to 3000 g / mol, preferably 200 to 2000 g / mol and particularly preferably 200 to 1500 g / mol. Epoxidharzmischung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffmengenverhältnis der Hydroxylgruppen der Oligomere zu den Hydroxylgruppen der Monomere (nOH-Oligomer/nOH-Monomer) von 1 bis 99%, bevorzugt von 20 bis 80% und besonders bevorzugt von 30 bis 70% beträgt.Epoxy resin mixture according to claim 3 or 4, characterized in that the molar ratio of the hydroxyl groups of the oligomers to the hydroxyl groups of the monomers (n OH oligomer / n OH monomer ) of 1 to 99%, preferably from 20 to 80% and particularly preferably from 30 up to 70%. Epoxidharzmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffmengenverhältnis der Hydroxylgruppen des mindestens einen Vernetzers zu den Glycidylether- und Glycidylestergruppen der mindestens einen zu vernetzenden Komponente (nOH/nGlycidyl) von 50 bis 150%, bevorzugt von 90 bis 140% und besonders bevorzugt von 95 bis 135% beträgt.Epoxy resin mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the molar ratio of the hydroxyl groups of the at least one crosslinker to the glycidyl ether and glycidyl ester groups of the at least one component to be crosslinked (nOH / n glycidyl ) of 50 to 150%, preferably from 90 to 140% and particularly preferably from 95 to 135%. Epoxidharzmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivator ausgewählt ist aus der Gruppe der • Amine, insbesondere der tertiären Amine, • Stickstoffheterocyclen, insbesondere Imidazole, Epoxy-Imidazol-Addukte, Metallsalz-Imidazol-Komplexe, Umsetzungsprodukten von Imidazol mit Protonendonatoren • Carboxylate sowie • Mischungen hiervon.Epoxy resin mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the activator is selected from the group of • amines, especially tertiary amines, • nitrogen heterocycles, in particular imidazoles, epoxy-imidazole adducts, metal salt-imidazole complexes, reaction products of imidazole with proton donors • carboxylates and • mixtures thereof. Epoxidharzmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Epoxidharzmischung frei von Bisphenol A ist.Epoxy resin mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the epoxy resin mixture is free of bisphenol A. Verfahren zur Herstellung einer Epoxidharzmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine multifunktionale Glycidylverbindung aus nachwachsenden Rohstoffen als zu vernetzende Komponente, eine Kombination aus mindestens einem multifunktionalen aromatischen Monomer mit phenolischen Hydroxid-Gruppen und dessen multifuktionalen Oligomeren und/oder Polymeren als Vernetzer, und ein Aktivator für die Vernetzung in einem organischen Lösungsmittel oder in einer Oligomerlösung, gelöst werden und anschließend das Lösungsmittel mittels Vakuum entfernt wird.A process for preparing an epoxy resin mixture according to any one of the preceding claims, wherein at least one multifunctional glycidyl compound from renewable resources as the component to be crosslinked, a combination of at least one multifunctional aromatic monomer having phenolic hydroxide groups and its multifunctional oligomers and / or polymers as crosslinking agents, and an activator for crosslinking in an organic solvent or in an oligomer solution, are dissolved, and then the solvent is removed by means of vacuum. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel Aceton, Methylethylketon (MEK), Dioxan, Tetrahydrofuran, Chloroform, Dichlormethan, Essigsäureethylester, Ethanol, Methanol, Propanol und Mischungen hiervon eingesetzt werden.A method according to claim 9, characterized in that are used as the solvent acetone, methyl ethyl ketone (MEK), dioxane, tetrahydrofuran, chloroform, dichloromethane, ethyl acetate, ethanol, methanol, propanol and mixtures thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel bei Temperaturen von 30 bis 90°C im Vakuum entfernt wird. Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that the solvent is removed at temperatures of 30 to 90 ° C in vacuo. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oligomere durch Extraktion gewonnen werden und niedermolekulare Fraktionen der Extraktion mit einem mittleren Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 3000 g/mol, bevorzugt 200 bis 2000 g/mol und besonders bevorzugt 200 bis 1500 g/mol darstellen.Method according to one of claims 9 to 11, characterized in that the oligomers are obtained by extraction and low molecular weight fractions of the extraction with an average molecular weight in the range of 200 to 3000 g / mol, preferably 200 to 2000 g / mol and particularly preferably 200 to 1500 g / mol. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivator ausgewählt ist aus der Gruppe der tertiären Amine, Imidazole, Carboxylate, Epoxy-Imidazol-Addukte, Metallsalz-Imidazol-Komplexe, Umsetzungsprodukten von Imidazol mit Protonendonatoren sowie Mischungen hiervon.Method according to one of claims 9 to 12, characterized in that the activator is selected from the group of tertiary amines, imidazoles, carboxylates, epoxy-imidazole adducts, metal salt-imidazole complexes, reaction products of imidazole with proton donors and mixtures thereof. Verwendung der Epoxidharzmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von härtbaren Formmassen, Textilfliesen oder Prepregs durch Aushärtung der Epoxidharzmischung.Use of the epoxy resin mixture according to one of claims 1 to 8 for the preparation of curable molding compositions, textile tiles or prepregs by curing the epoxy resin mixture. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung bei Temperaturen von 30 bis 250°C, bevorzugt von 60 bis 200°C und besonders bevorzugt von 90 bis 180°C erfolgt.Use according to claim 14, characterized in that the curing takes place at temperatures of 30 to 250 ° C, preferably from 60 to 200 ° C and particularly preferably from 90 to 180 ° C.
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