Untersuchung der Eignung von chemisch modifizierten technischen Ligninen als Bitumenersatzprodukt

Abstract

Bitumen, ein bei der Erdölaufbereitung gewonnenes komplexes Gemisch aus hoch- und niedermolekularen Kohlenwasserstoffen, ist heute das wichtigste Bindemittel im Straßenbau. Knapper werdende Ressourcen und stark angestiegene Bitumenpreise haben dazu geführt, dass weltweit Forscher nach biobasierten Ersatzstoffen suchen. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob technische Lignine, die als Nebenprodukte bei der Zellstoffgewinnung anfallen und bisher v.a. energetisch genutzt werden, durch chemische Modifizierung in Bitumenersatzstoffe umgewandelt werden können. Eingesetzt wurden ein aus Holz gewonnenes Kraft-Lignin, zwei unterschiedliche Holz-Lignosulfonate und zwei mit unterschiedlichen Verfahren aus Stroh isolierte Lignine. Die Rohstoffe wurden mittels IR- und NMR-Spektroskopie analysiert und durch Titration bzw. UV/VIS Spektroskopie Art und Anzahl der für Derivatisierungen zur Verfügung stehenden Funktionalitäten bestimmt. Da alle Lignine für eine Anwendung als Bitumenersatzstoff zu hydrophil und zu hart sind, wurden sie propoxyliert und/oder mit verschiedene Carbonsäuren verestert, mittels IR-/NMR-Spektroskopie sowie Titration analysiert und untersucht, wie sich eine Variation der Kettenlänge der Pfropfäste bzw. Art und Grad der Veresterung auf die Löslichkeit und die Rheologie auswirken. Die Lignosulfonate erwiesen sich auch nach Derivatisierung als zu gut wasserlöslich, um als Bitumenersatzstoffe in Frage zu kommen. Bei den anderen Ligninen konnten durch die chemische Modifizierung die rheologischen Eigenschaften gezielt gesteuert werden, aber nicht gleichzeitig eine für die geplante Anwendung passende Löslichkeit erzielt werden. Ausreichend hydrophoben Ligninderivaten können aber durch Zumischung viskositätserhöhender Komponenten rheologische Eigenschaften verliehen werden, die eine Anwendung als Bitumenersatzstoff möglich machen.<br />

Bitumen, the distillation feedstock of crude oil, is a complex mixture of high- and low-molecular hydrocarbons and is the most important binding agent for road construction. Due to shortage of resources and increasing costs a lot of research is done worldwide to develope suitable biobased substitute materials. The aim of the present work was to evaluate if technical lignins, which are by-products of the pulp and paper industry and serve there primarily as fuel, can be used as bitumen substitute. As starting materials a wood lignin from the kraft-process, two different wood lignosulfonates and two wheat straw lignins, which were isolated by different methods, were used. The raw materials were analyzed by IR and NMR spectroscopy and type and content of different functional groups available for chemical modification were determined by titration and UV/VIS spectroscopy, respectively. Because all lignins were too hydrophilic and brittle for usage as bitumen substitute, they were propoxylated and/or esterfied with different carboxylic acids and were analyzed by IR and NMR-spectroscopy and by titration. The effect of the length of grafted propylenglykol chains and type of carbonic acid and degree of esterfication on the rheological properties and the solubility was investigated. The lignosulfonates turn out to be still water soluble after chemical modification and showed to be not suitable as bitumen substitution material. Using the other lignins as starting materials, rheological properties could be tailored by variation of the length of propylene glycol chains and also by mixing lignins with different degree of propoxylation.