Projekt 17825/01

Entwicklung einer ökologischen Schreibpaste für Kugelschreiberminen

Projektträger

Star Minen GmbH
August-Borsig-Str. 20
78467 Konstanz
Telefon: 07531/89265-30

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kugelschreiberpasten werden heute aus gesundheitsschädlichen Lösemitteln wie Phenylglykolen, Benzylalkohol, Butylglykol, Phthalaten, Kunstharzen und Azofarbstoffen durch mehrtägiges Erhitzen auf Temperaturen bis 120 °C hergestellt. Dabei werden u. a. krebserregende aromatische Amine wie Anilin und o-Toluidin freigesetzt. Ziel des Projektes war die Formulierung einer lösemittelfreien Schreibpaste auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Ein weiteres Ziel war die Reduzierung der Temperaturführung auf £ 60 °C bei gleichzeitiger Verkürzung der Reaktionszeit auf wenige Stunden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Bereich der Kosmetika, Naturfarben und Druckfarben gibt es eine Vielzahl von Oleochemikalien und Harzen auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Im ersten Schritt wurde anhand physikalisch-chemischer Kenndaten sowie Produktinformationen der Hersteller ein Rohstoffprofil erarbeitet und nach Literaturrecherche ein Rohstoffpool mit geeigneten Stoffen erstellt. Anschließend wurde hinsichtlich Temperaturverhalten, rheologischer Eigenschaften, Stabilität, Säurezahl, Jodzahl, Wassergehalt und Buntmetallverträglichkeit ein Rohstoffscreening an Labormustern durchgeführt. Mit ausgewählten Rohstoffen wurden im Labormaßstab Modellrezepturen ohne Farbstoffzusatz (Klarmischungen) erstellt und auf Temperaturverhalten, rheologische Eigenschaften, Buntmetallverträglichkeit, Wasseraufnahme und Oxidationsbeständigkeit geprüft. Die besten Klarmischungen wurden in Schreibminen abgefüllt und auf Anschreibverhalten, Temperaturverhalten und Lagerstabilität untersucht. Im nächsten Schritt wurden die Klarmischungen mittels Ultra-Turrax mit in Ölsäure aufgeschlossenen Farbstoffen sowie mikronisierten Pigmenten eingefärbt, in gängige Schreibminen abgefüllt, und die physikalisch-chemischen Kenndaten mit denjenigen der Klarmischung verglichen. Zusätzlich wurden Antrocknung, Farbdeckung, Gleichmäßigkeit, Lichtechtheit sowie das Anschreibverhalten bis - 5 °C untersucht. Ein Teil der Minen wurde für eine Langzeitstudie unter den Bedingungen der Klimazonen I + II sowie bei 5 ± 3 °C eingelagert. Die Farbpasten wurden periodisch durch HPLC/DAD und GC/MS auf Zersetzungsprodukte untersucht.
Durch die Verlagerung des Firmensitzes der Star Minen GmbH von D-Konstanz nach CH-Kreuzlingen entfielen seitens der DBU die Voraussetzungen für eine Projektfortführung mit den weiteren Arbeitsschritten, insbesondere die Prüfung der Langzeitstabilität und die industrielle Umsetzung.


Ergebnisse und Diskussion

Das Projekt zur Entwicklung einer ökologischen Schreibpaste für Kugelschreiberminen auf der Basis von nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen und kosmetischen Oleoverbindungen konnte durch die Verla-gerung des Firmensitzes der Star Minen GmbH während der Projektlaufzeit von Konstanz in die Schweiz nicht im Rahmen einer DBU-Förderung abgeschlossen werden. Die Kooperationspartner entschieden sich aber aufgrund der bis dahin erzielten positiven Ergebnisse für eine Fortsetzung des Projektes. Mit dem Vorliegen einer vermarktungsfähigen Formulierung wird bis Ende 2003 gerechnet. Um abgeschlossene Entwicklungsabschnitte darstellen zu können, werden für den Abschlußbericht Ergebnisse bis Ende September 2002 berücksichtigt.
Kugelschreiberpasten müssen hinsichtlich Rheologie, Oberflächenspannung, Viskosität, Lagerstabilität, Anschreibverhalten, Lichtechtheit, Verträglichkeit mit Buntmetallen vielfältige Anforderungen erfüllen. Ökologischen Überlegungen und toxikologische Bewertungen spielten dabei bislang eine untergeordnete Rolle. Entwicklungsarbeit wurde diesbezüglich nicht geleistet. Die Literaturrecherche zu potentiell für Schreibtinten geeigneten und toxikologisch unbedenklichen Oleochemikalien, Wachsen und Harzen auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen ergab eine Vielzahl von kommerziell verfügbaren Produkten, während die Recherche zur Herstellung und Zusammensetzung von Schreibpasten wenig ergiebig war. Sie zeigte, dass das in anderen Bereichen (Kosmetik) vorhandene Potential trotz der Einführung der Schweizer Verordnung über Gebrauchsgegenstände (GebrV), Art. 32 und 33 bislang nicht genutzt wur-de. Nach der Verordnung dürfen Schreibpasten maximal 50 mg/kg aromatische Amine enthalten. Bei Überschreitung der Grenzwerte sind die Produkte in der Schweiz nicht mehr verkehrsfähig. Die Einkäufer der übrigen europäischen Länder schließen sich zunehmend den Schweizer Forderungen an. Vor diesem Hintergrund kommt dem Projekt eine hohe Aktualität zu. Hinsichtlich der Anwendung wurde dabei absolutes Neuland beschritten, hinsichtlich der Rohstoffe jedoch auf seit Jahren in der Kosmetik bewährte Stoffe zurückgegriffen. Von den ausgewählten Rohstoffen wurden Mustermengen beschafft und auf die für den geplanten Einsatz relevanten physikalisch-chemischen Kenndaten wie rheologische Ei-genschaften, Temperaturabhängigkeit der Viskosität, Stockpunkt, Säurezahl, Jodzahl, Wasseraufnahmevermögen und Buntmetallverträglichkeit untersucht. Im Labormaßstab ohne Farbstoffzusatz herge-stellte Modellrezepturen (Klarmischungen) wiesen teilweise Kenndaten im spezifizierten Bereich auf. Sie wurden in Schreibminen abgefüllt und auf Anschreibverhalten, Temperaturverhalten und Lagerstabilität untersucht. Die Klarmischungen mit den besten Ergebnissen wurden mit in Ölsäure aufgeschlossenen Farbstoffen und mit mikronisierten Pigmenten eingefärbt und einer erneuten Prüfung unterzogen. Dabei zeigte sich, dass Antrocknung, Farbdeckung, Gleichmäßigkeit und Anschreibverhalten bis - 5 °C teilweise über demjenigen konventioneller Farbpasten lag. Ein gravierendes Problem ergab sich jedoch bei den mit Ölsäure aufgeschlossenen Farbstoffen. Bei den Schreibminen traten im Bereich des Kugelspalts Eintrübungen und Ausfällungen auf, die die Minen unbrauchbar machten. Untersuchungen zeigten, dass dies auf überschüssige Ölsäure zurückzuführen war. Bei den mit mikronisierten Pigmenten eingefärbten Farbpasten wurde dieser Effekt nicht beobachtet. Da die meisten derzeit verwendeten Farbstoffe aufge-schlossen werden müssen und mikronisierte Pigmente aus Kostengründen nicht allgemein einsetzbar sind, wurde versucht diese Farbstoffe auf andere Weise aufzuschließen. Im Rahmen eines anderen Pro-jektes wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem gelöste Stoffe in der Gegenwart von Wachsen zu äußerst feinteiligen, wachsüberzogenen Partikeln gefällt werden können, die sich nicht mehr wie der Stoff selbst, sondern wie das ihn umgebende Wachs verhalten. Mit diesem Verfahren ließen sich nach geringer Modifikation alle gängigen Farbstoffe zu feinteiligen Wachsdispersionen verarbeiten. Die so hergestellten Schreibpasten zeigten keine Buntmetallkorrosion mehr. Ein geringer Anteil an aromatenfreien Isoaliphaten ist jedoch zur Herstellung der Wachsdispersionen erforderlich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren zur Herstellung einer ökologischen Schreibpaste für Kugelschreiberminen soll nach Abschluss der Entwicklungen patentrechtlich geschützt werden. Die Veröffentlichung von Ergebnissen erfolgt nach der Wartefrist.


Fazit

Durch die Nutzung von Verfahren und Rohstoffen aus der kosmetischen Technologie ist es gelungen ökologische Schreibpasten für Kugelschreiberminen auf der Basis von nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen im Pilotmaßstab herzustellen. Mit mikronisierten Pigmenten gelingt dies sogar ohne Lösemittelzusatz, mit in Wachs aufgeschlossenen Azofarbstoffen enthält die Farbpaste nur geringe Mengen von Isoaliphaten (aromatenfrei). Die Verarbeitungstemperaturen liegen bei maximal 50° C, die Reaktionszeit unter 3 Stunden. Ergebnisse zur Langzeitstabilität sowie die industrielle Umsetzung stehen noch aus.