Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Aufgrund gesetzlicher Vorgaben muss die Gesamtemission von VOCs (fl\u00fcchtige organische Verbindun-gen) in Deutschland bis 2010 auf 950 kt\/a gesenkt werden. Das bedeutet eine Steigerung um ca. 30% im Vergleich zum Stand von Oktober 2002. Gegenw\u00e4rtig wird der prozentual gr\u00f6\u00dfte Anteil an VOCs bei der Verarbeitung von Farben und Lacken emittiert, in Deutschland ca. 350 kt\/a.
\nGegenstand des Projektes ist insbesondere die Entwicklung und Optimierung einer Methode zur Umesterung von Calendula\u00f6l zu Calendulas\u00e4uremethylester und dessen Untersuchung im Hinblick auf seine Eignung als Reaktivverd\u00fcnner f\u00fcr Natur- und Kunstharze, weiterhin die Umesterung von Calendula\u00f6l mit mehrwertigen Alkoholen zu Monoestern und deren Pr\u00fcfung als Reaktivemulgator f\u00fcr wasserverd\u00fcnnbare Lacke und schlie\u00dflich die Untersuchung der Eignung von Calendula\u00f6l f\u00fcr die Produktion von vollst\u00e4ndig auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Bindemitteln.
\nZiel des Vorhabens ist a) ein industriell einsetzbares Verfahren zur Umesterung von Calendula\u00f6l zu Calendulas\u00e4uremethylester; b) ein Verfahren zum Einsatz von Calendulas\u00e4uremethylester als Reaktivverd\u00fcnner f\u00fcr die Naturharzbindemittel der Firma bio pin, das aber auch allgemein f\u00fcr Alkydharze einsetzbar ist; c) ein Verfahren zur Umesterung von Calendula\u00f6l zu Calendulas\u00e4uremonoestern von mehrwertigen Alkoholen; d) Kl\u00e4rung der Frage, ob diese als Reaktivemulgator f\u00fcr wasserverd\u00fcnnbare Lacke geeignet sind; e) Substitution von Tung\u00f6l durch Calendula\u00f6l als Rohstoff f\u00fcr die Produktion von Farben und Lacken.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Reaktivverd\u00fcnner
\n a) Untersuchung und Optimierung der chemischen Umesterung des Calendula\u00f6ls zu Methyl- und anderen Calendulas\u00e4ureestern.
\nIn unseren Voruntersuchungen haben wir einen heterogenen Katalysator, der kommerziell erh\u00e4ltlich ist, gefunden, der die Umesterung von Calendula\u00f6l erm\u00f6glicht ohne das hochreaktive Hexatriensystem anzugreifen. Damit bleibt die Reaktivit\u00e4t, die f\u00fcr die Aush\u00e4rtung von Bedeutung ist, auch im umgeesterten Produkt erhalten. In unseren Untersuchungen soll zun\u00e4chst im Laborma\u00dfstab die Umesterung mit Methanol zum Methylester optimiert werden. Dazu wird in einer Versuchsreihe die Aktivierung des Katalysators auf h\u00f6chste Aktivit\u00e4t untersucht. Im n\u00e4chsten Schritt werden die Reaktionsbedingungen der Umesterung variiert im Hinblick auf quantitative Reaktion, Reaktionszeit, Menge des Katalysators und des Alkohols. Das Produkt wird f\u00fcr die Untersuchungen der Firma bio pin in der notwendigen Menge zur Verf\u00fcgung gestellt.<\/p>\n
Die mit diesen Estern gewonnenen Ergebnisse stellten sich in der praktischen Anwendung bei der Firma bio pin als in zweierlei Hinsicht nicht zufriedenstellend dar. Das mangelnde Durchtrocknungsverm\u00f6gen und die damit nicht ausreichende Oberfl\u00e4chenh\u00e4rte des Anstrichfilmes sowie ein nicht befriedigendes Verd\u00fcnnungsverm\u00f6gen hinsichtlich der Viskosit\u00e4t des Anstrichmittels machten die Entwicklung von auf anderen Alkoholen basierenden Estern notwendig. Erste praktische Tests damit zeigen deutlich positive Ergebnisse und lassen urspr\u00fcngliche Projektziele wieder in greifbare N\u00e4he r\u00fccken. Damit k\u00f6nnen die nachfolgend beschriebenen Arbeitsschritte weiter durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
b) Einsatz von Calendulas\u00e4uremethylester und gegebenenfalls anderen Estern als Reaktivverd\u00fcnner f\u00fcr Lackbindemittel.
\nDie unter a) bereitgestellten Ester werden von der Fa. bio pin in ihren Lackrezepturen, gegebenenfalls unter Variation der Rezepturen, getestet. Es wird der Einfluss des Calendulas\u00e4uremethyesters auf die Einstellung der gew\u00fcnschten Viskosit\u00e4t, auf die Aush\u00e4rtungsgeschwindigkeit, die H\u00e4rte des Lacks und alle anderen lacktechnisch wichtigen Parameter untersucht (Firma bio pin). Durch chemische Analyse wird untersucht, ob die Calendulas\u00e4ureester im Sinne der Wirkung als Reaktivverd\u00fcnner chemisch an das Bindemittel gebunden werden (Uni Oldenburg). <\/p>\n
c) Die beschriebene Umesterung wird unter den unter a) gefundenen optimierten Reaktionsbedingungen auch in den Technikumsma\u00dfstab \u00fcbertragen, um die Synthese des Calendulas\u00e4uremethylesters und gegebenenfalls -ethylesters im Kilogrammma\u00dfstab durchzuf\u00fchren und weiter zu optimieren (Uni Oldenburg). Mit den so zur Verf\u00fcgung gestellten gr\u00f6\u00dferen Mengen werden die unter b) gefundenen vielversprechendsten Rezepturen im Technikumsma\u00dfstab durchgef\u00fchrt und erprobt (Fa. bio pin).
\n2. Reaktivemulgator
\na) Untersuchung und Optimierung der Umesterung von Calendula\u00f6l mit mehrwertigen Alkoholen wie Glycerin.
\nDie Umesterung mit Glycerin und andern mehrwertigen Alkoholen kann nach unseren Voruntersuchungen mit dem unter 1.a) verwendeten Katalysator durchgef\u00fchrt werden. Allerdings muss in Versuchsreihen wie unter a) beschrieben sowohl der Katalysator als auch die Reaktionsbedingungen f\u00fcr diese spe-zielle Reaktion optimiert werden. (Uni Oldenburg).
\nb) Einsatz von Calendulas\u00e4uremonoglycerid als Reaktivemulgator f\u00fcr wasserverd\u00fcnnbare Lacke. <\/p>\n
Die unter a) bereitgestellten Monoglyceride werden dahingehend getestet, ob sie als Emulgatoren wir-ken und z. B. Sojalecithine in den Rezepturen der Fa. bio pin ersetzen k\u00f6nnen. Die Lackqualit\u00e4t wird getestet (Firma bio pin). Durch chemische Analyse wird \u00fcberpr\u00fcft, ob das Calendulamonoglycerid chemisch an das Bindemittel gebunden wird (Uni Oldenburg).
\n3. Substitution von Tung\u00f6l durch Calendula\u00f6l
\nCalendula\u00f6l und Harzs\u00e4uren werden zur Herstellung des Alkydharz \u00e4hnlichen Bindemittels analog zu dem mit Tung\u00f6l praktizierten Prozess im Labor- und im Technikumsma\u00dfstab verkocht. Die erhaltenen Produkte werden charakterisiert und mit den entsprechenden Produkten aus Tung\u00f6l verglichen. Lacke nach gegebenenfalls zu modifizierenden Rezepturen werden hergestellt, in ihrer Qualit\u00e4t beurteilt, mit Standardlacken verglichen und gegebenenfalls auch Zertifizierungsprozessen und technischen Zulassungsverfahren unterworfen (Firma bio pin). <\/p>\n
4. Analysen
\nZur Analyse des Calendula\u00f6ls, der daraus durch Umesterung nach 1. a) und 2. a) gebildeten Produkte, der Reaktionsprodukte des Verkochens mit Harzs\u00e4ure nach 3. sowie der Produkte der Reaktionen mit Reaktivverd\u00fcnner nach 1. b) und Reaktivemulgator nach 2. b) werden die notwendigen Methoden entwickelt. Insbesondere werden zur Analyse verwendet: Chromatographie (GC, HPLC, GPC), Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie, IR-Spektroskopie (Uni Oldenburg).<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Calendula\u00f6l kann analog zu Holz\u00f6l (Tung\u00f6l) in Farbenbindemitteln eingesetzt werden. Es eignet sich dabei sowohl f\u00fcr den Einsatz in einfachen gemischten Bindemitteln wie auch f\u00fcr h\u00f6herwertige Bindemit-tel, beispielsweise Naturharz-\/\u00d6lester. In den verschiedenen Untersuchungen wurden leichte Schw\u00e4chen, wie z. B. die etwas langsamere Reaktion oder aber die um ca. 10% l\u00e4ngere Trockenzeit festgestellt. Gr\u00fcnde hierf\u00fcr liegen m\u00f6glicherweise aber auch in der Qualit\u00e4t des f\u00fcr die Versuche vorhandenen Calendula\u00f6ls. Im direkten Preisvergleich hat Calendula\u00f6l f\u00fcr diesen Einsatzzweck noch keine gro\u00dfe Chance, da die Anbau-, Ernte- und Raffinationsbedingungen noch nicht optimiert sind. Der stark schwankende Preis f\u00fcr Holz\u00f6l (von ca. 0.90 \u0080 bis 2,00 \u0080 frei europ\u00e4ischem Eingangshafen) zeigt aber die Fragilit\u00e4t des Marktes und damit letzten Endes auch die Chance f\u00fcr Calendula\u00f6l auf.
\nEster des Calendula\u00f6ls, insbesondere Ethyl- und Isopropylester k\u00f6nnen in einigen Anwendungsbereichen als Reaktivverd\u00fcnner f\u00fcr Alkydharze oder andere, auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Lackbindemitteln eingesetzt werden. Die Anwendungsbereiche werden vorwiegend im Au\u00dfenbereich gesehen, da die Oberfl\u00e4chenh\u00e4rte noch nicht mit den normalen, l\u00f6semittelbasierten Bindemitteln zu vergleichen ist. Inwieweit hier eine Wirtschaftlichkeit darstellbar ist, h\u00e4ngt sehr stark von zuk\u00fcnftigen gesetz-lichen Vorgaben, einer m\u00f6glichen VOC-Lenkungsabgabe wie in der Schweiz und dem oben schon er-w\u00e4hnten Optimierungspotential bei Anbau und Weiterverarbeitung ab.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00dcber Ergebnisse des Projekts wurde mehrfach auf internationalen Tagungen berichtet. Dar\u00fcber hinaus wurde in zahlreichen \u00dcbersichtsvortr\u00e4gen auf verschiedenen Tagungen auch u. a. aus Ergebnissen des Projekts berichtet.
\n–\tUrsula Biermann, Werner Butte, Ralf Holtgrefe, Willi Feder, and J\u00fcrgen O. Metzger, Calendula Oil as Paint Additive, Biorefinery, DBU Osnabr\u00fcck, 11.-12.10.1006
\n–\tUrsula Biermann, Werner Butte, Ralf Holtgrefe, Willi Feder, and J\u00fcrgen O. Metzger, Calendula Oil as Paint Additive, American Oil Chemist\u00b4s Society Annual meeting, Seattle, 18.-21.5.2008.
\n–\tUrsula Biermann, Werner Butte and J\u00fcrgen O. Metzger, Reactions with Plant Oils Containing Con-jugated Triene Fatty Acids, Euro Fed Lipid, Athen, 7.-10.09.2008.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Projekt hat im Ergebnis gezeigt, dass Calendula\u00f6l ganz analog zu Holz\u00f6l zu Bindemitteln f\u00fcr Natur-farben verarbeitet werden kann. Es hat weiter gezeigt, dass Ester des Calendula\u00f6ls, insbesondere Ethyl- und Isopropylester in einigen Anwendungsbereichen als Reaktivverd\u00fcnner f\u00fcr Alkydharze eingesetzt werden kann. Die Umsetzung dieser wichtigen Ergebnisse erfordert eine Fortsetzung des Projekts, in der der Anbau von Calendula in Deutschland, insbesondere in der Region Weser-Ems, die Entwicklung der Extraktion und Raffinierung des \u00d6ls und die technische Umesterung entwickelt wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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