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May 2022
Report
Titel
Machbarkeitsstudie: Thermoplastische Ligninvarianten als Teilsubstitut in Bitumenformulierungen für verschiedene Bauleistungen (Lignobitumen)
Titel Supplements
Teilvorhaben 1: Chemische Modifizierung von Kraftlignin
Teilvorhaben 2: Lignobitumen-Formulierungen
Alternative
Feasibility study: Thermoplastic lignin variants as partial substitutes in bitumen formulations for various construction services (lignobitumen)
Subproject 1: Chemical modification of kraft lignin
Subproject 2: Lignobitumen formulations
Abstract
Das Gesamtziel der beschriebenen Machbarkeitsstudie ist die, über den Stand der Technik hinausgehende, Teilsubstitution von erdölbasierten Standard-Bitumenbindemitteln durch maßgeschneiderte, chemisch-modifizierte Kraft-Ligninderivate (zielgerichtet, funktionalisierte Kraft-Lignine als thermoplastische Ligninmuster), einem nachwachsenden Rohstoff, unter Erhalt bzw. maßgeblicher Verbesserung der technischen und Materialeigenschaften des Bindemittels, das flexibel in verschiedenen Bauweisen verwendet werden kann. Es geht nicht allein um eine Substitution, sondern auch um Verbesserung der Materialkenndaten/Eigenschaften sowie eine Diversifizierung (Erweiterung der Anwendungsbreite). In den zu entwickelnden Lignin-modifizierten Bitumenbindemitteln muss der Anteil an thermoplastischen Ligninvarianten deutlich über dem des Standes der Technik, von derzeit 25%, liegen. Angestrebt werden Substitutionsgrade von 50-70% unter Verbesserung bzw. mindestens Erhalt ausgewählter Eigenschaften der Bitumenbindemittel Vergleichsstandards „Standard-Bitumen 70/100“ und der weicheren Bitumensorte „Standard-Bitumen B 160/220“ hinsichtlich verschiedener Materialkenndaten (Nadelpenetration, Erweichungspunkt, Brechpunkt, Verbund- und Emulgierfähigkeit). Hierdurch wird es möglich eine notwendige Wissensbasis zur chemischen Modifizierung und zu spezifischen Materialkenndaten aufzubauen, auf deren Grundlage notwendige Prozesse zur Hochskalierung bis TRG 6 entwickelt werden können. Für die Darstellung von ausgewählten thermoplastischen Ligninen, mit unterschiedlichem lipophilen Eigenschaftsprofil, sind skalierbare, katalysierte Pfropfungsreaktionen mit funktionalen Epoxi-Verbindungen (z.B. 2,3-Epoxy-1-propanol und 2,3-Epoxy-1-propanolderivaten) sowie eine anschließende Veresterung der Pfropf-Co-Polymere, durch O-Acylierung oder Veresterung notwendig. Die hierfür notwendigen Syntheseprotokolle, Betriebsanweisungen und Gefährdungsbeurteilungen sind zu erarbeiten. Zur Umsetzung kommen nur Prozesse, die auch höher-skalierbar sind. Hierdurch wird es möglich eine große Bandbreite an Produkten herzustellen, deren Eigenschaften flexibel auf die jeweiligen Anforderungen in Bauweisen zugeschnitten werden. Die Lignin-modifizierten Bindemittel dienen hierfür als Plattformmaterialien, auf deren Grundlage die Einstellung spezifischer Materialeigenschaften für verschiedene Baumaßnahmen realisierbar ist.
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The overall objective of the feasibility study is the partial substitution of fossil bitumen binders by thermoplastic lignin, while maintaining / improving the technical and material properties of the binder, which is used flexibly in various construction methods. In the new lingo bitumen binders, the proportion of thermoplastic lignin should be higher than that of the state of the art (degrees of substitution 50-70%), while improving / maintaining characteristics of the standards (70/100, B 160/220). This enables a necessary knowledge base (chemical modification, specific material characteristics). It is the basis for process development / upscaling to TRL 6.