Biobasierte, bioabbaubare Bindemittelsysteme auf Hemicellulose-Basis für UV-härtbare Offset-Druckfarben - Akronym: HemiBindOff

Abstract

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Bindemittelsystems für UV-härtende Offset-Druckfarben, welches überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelgewinnung steht. Durch die Entwicklung eines solchen Systems wird eine bessere Kompostierbarkeit bzw. bessere Abbaubarkeit der Druckfarbe angestrebt. UV-härtende Offset- und Flexodruckfarben sowie Überdrucklacke, die durch UV-Härtung getrocknet werden, wurden aufgrund der besseren Energiebilanz gegenüber konventionell trocknenden Druckfarben und der 100%ig lösemittelfreien Formulierung als Zielsystem ausgewählt. Als vielversprechender Ausgangsstoff für die Bindemittelentwicklung wurde Hemicellulose identifiziert. Diese wird aus Produktionsrückständen der Lebensmittel- bzw. Saftindustrie extrahiert, welche jährlich zwischen 13 und 14 Mio. Tonnen Trockensubstanz anfallen. Aufgrund der Vielzahl an Hydroxylgruppen können Fettsäuren zur Hydrophobierung und Acrylsäure-Gruppen zur UV-Härtung verestert werden. Für die kostengünstige Extraktion von Hemicellulosen erwies sich Apfeltrester im Vergleich zu Beerentrester als besser geeignet. Für die Extraktion von Himbeertrester wurden verschiedene Extraktionsmedien (Wasser, Lauge, angesäuertes Wasser) getestet. Mittels alkalischer Extraktion konnten relevante Ausbeuten erziel werden, jedoch konnte auch mit proteolytischen Enzymen der Restproteingehalt nicht unter 10% abgesenkt werden. Durch Extraktion von Apfeltrester mit subkritischem Wasser bei 145 °C in der Pilotanlage des Fraunhofer IWKS, Aufreinigung der gelösten Hemicellulosen durch Ausfällung mit Alkohol und Kettenverkürzung mittels saurer Hydrolyse wurden Polysaccharide mit einer mittleren Molmasse von 5-10 kDa hergestellt. Der Sulfatgehalt dieses Hydrolyseproduktes wurde im Laufe des Forschungsvorhabens von 20-30% auf 1-1,5% gesenkt. Für die Veresterung mit gesättigten Fettsäuren konnten gute bis sehr gute Ausbeuten erzielt werden. In Absprache mit dem Anwender sollte ein sehr hydrophobes Produkt synthetisiert werden (Subsituierungsgrad (DS) 1); aus diesem Grund wurde zunächst Stearinsäure als Fettsäure gewählt. Für das Erreichen eines DS von >0,9 mussten große Mengen an Fettsäure und Fettsäureaktivator verwendet werden, was die Waschung des Produkts erschwerte. Die zur Acrylierung verwendeten Produkte wiesen neben einem hohen Salzgehalt (3-16%) auch einen hohen Anteil (15-36%) des bei der Aktivierung der Fettsäure gebildeten Fettsäureamids auf. Diese Verunreinigungen führten während des ersten Acrylierungs-Tests des assoziierten Chemie-Unternehmens zu einem Präzipitat während der Reaktion und einer zu geringen Umsetzung mit Acrylsäure. Die Verunreinigungen mit Fettsäureamid konnten im Laufe des Forschungsvorhabens auf 12% gesenkt werden, ließen sich jedoch nicht vollständig entfernen. Die Löslichkeitstests in Reaktivverdünnern zeigten, dass C18-Produkte nicht gut in diesen zu lösen sind. Das Augenmerkt wurde somit auf Fettsäuren mit geringerer Kettenlänge gerichtet und die Löslichkeit derselben in Toluol und den Reaktivverdünnern getestet. Hierbei zeigten C10-Produkte sowohl in Toluol als auch in Reaktivverdünnern (10 wt%) gute Löslichkeiten. Es konnte ein hydrophobes Produkt identifiziert werden, welches vielversprechend für die Anwendung als Binder in Druckfarben ist. Dieses Produkt muss dahingehend optimiert werden, dass Hemicellulosen über 5 kDa nach der Depolymerisierung abgetrennt werden, um die Löslichkeit im Reaktivverdünner zu gewährleisten. Des Weiteren muss die Wirkung des Substitutionsgrads auf die Löslichkeit im Reaktivverdünner untersucht werden. Kann mit einem geringen Substitutionsgrad eine ausreichende Hydrophobierung erreicht werden, wird durch Acrylierung ein reaktives Produkt erhalten.