@phdthesis{Klein2020,
  author    = {Stephanie E. Klein},
  title     = {Synthese und Charakterisierung von funktionalen Lignin-basierten Polyurethan-Coatings aus unmodifiziertem und modifiziertem Kraft-Lignin},
  journal    = {Synthesis and characterization of functional lignin-based polyurethane coatings from unmodified and modified Kraft lignin},
  year      = {2020},
  abstract  = {Bedingt durch die zunehmende Rohstoffknappheit r{\"u}ckt die Suche nach alternativen, nachhaltigen Rohstoffen immer mehr in den Vordergrund. Im Hinblick auf effiziente chemische Verwertbarkeit bietet Lignin zahlreiche Vorteile f{\"u}r verschiedene Anwendungsbereiche, beispielsweise f{\"u}r biobasierte Polyurethanbeschichtungen, etwa zum Korrosionsschutz. Wesentliche Probleme bei der Verwendung von Lignin ergeben sich durch die Heterogenit{\"a}t dieses Naturstoffes sowie durch dessen geringe Polymerisations-Kompatibilit{\"a}t mit Polyolefinen; beide Faktoren beeinflussen u. a die mechanischen Eigenschaften entsprechender Lignin-basierter Polymere. Zudem h{\"a}ngt die konkrete Struktur und damit auch die physikalisch/chemischen Eigenschaften des Lignins stark von der jeweiligen Rohstoffquelle sowie dem Extraktionsverfahren ab. Ziel dieser Arbeit war die Strukturaufkl{\"a}rung unmodifizierter und modifizierter Kraft-Lignine (KL) und die Untersuchung der Reaktivit{\"a}t aromatischer wie aliphatischer Hydroxygruppen in Abh{\"a}ngigkeit vom pH-Wert. Hierzu wurden unmodifizierte KL aus Schwarzlauge extrahiert und nachfolgend zun{\"a}chst einer Soxhlet-Extraktion unterzogen, um in Methyltetrahydrofuran l{\"o}sliche Lignin-Bestandteile – vornehmlich mit aromatischem Charakter – zu gewinnen und so eine verbesserte L{\"o}slichkeit auch im bei der nachfolgenden Polyurethansynthese als L{\"o}semittel verwendeten THF zu gew{\"a}hrleisten. {\"U}berdies wurden die extrahierten KL via Demethylierung von Methoxygruppen chemisch modifiziert. Zudem wurde mittels nasschemischer Methoden sowie mit differentieller UV/VIS-Spektroskopie die Anzahl an f{\"u}r die Polymerisation erforderliche Hydroxygruppen quantifiziert. Im Anschluss erfolgte, unter besonderer Ber{\"u}cksichtigung {\"o}kologischer und {\"o}konomischer Nachhaltigkeitsaspekte, die Synthese Lignin-basierter und funktionalisierter Polyurethanbeschichtungen. Die Oberfl{\"a}chenfunktionalisierung gestattete die Verbesserung der Oberfl{\"a}chenhomogenit{\"a}t sowie - via blend formation - das Einbetten von TPM-Farbstoffen in die Coatings. Hinsichtlich des Einflusses des bei der Extraktion gew{\"a}hlten pH-Wertes (pH = 2 - 5) auf das Verhalten der so gewonnenen KL wurde eine Ver{\"a}nderung sowohl der Struktur der Lignine als auch deren thermischer Stabilit{\"a}t beobachtet. Zudem wurde nachgewiesen, dass mit steigendem pH-Wert die Funktionalit{\"a}t/Reaktivit{\"a}t der aromatischen wie aliphatischen Hydroxygruppen im Lignin zunimmt. Aus unmodifiziertem KL wurden erfolgreich homogene Lignin-basierte Polyurethan-Coatings (LPU-Coatings) synthetisiert; diese LPU-Coatings zeigten bei Verwendung von bei h{\"o}heren pH-Werten extrahierten KL homogenere, hydrophobe Oberfl{\"a}chenbeschaffenheit sowie gute thermische Stabilit{\"a}t. Zus{\"a}tzliche Modifizierung der KL durch Demethylierung f{\"u}hrte wegen der gesteigerten Anzahl freier Hydroxygruppen zu moderater Reaktivit{\"a}tssteigerung und damit zu weiterer Verbesserung der Oberfl{\"a}cheneigenschaften hinsichtlich einer homogenen Oberfl{\"a}chenstruktur und -brillanz. Im Hinblick auf den Aspekt der Nachhaltigkeit wurden durch Syntheseoptimierung - bestehend aus Einstellung der Rohstoff-Korngr{\"o}{\"s}e, Ultraschallbehandlung und Verwendung des kommerziellen trifunktionellen Polyetherpolyols Lupranol® 3300 in Kombination mit Desmodur® L75 - die L{\"o}slichkeit von Lignin im Polyol sowie die thermische Stabilit{\"a}t der LPU-Coatings erh{\"o}ht. Im Zuge der Syntheseoptimierungen konnte durch verk{\"u}rzte Trocknungszeiten Energieeinsparung erzielt werden; zudem lie{\"s}en sich dabei die eingesetzten Mengen kommerziell erh{\"a}ltlicher Chemikalien verringern; beide Einsparungen f{\"u}hrten zu Kostenreduktion. Zugleich lie{\"s} sich so nicht nur der KL-Anteil im Polymer-Coating erh{\"o}hen: Durch eine optimierte wirtschaftliche Einstufensynthese lie{\"s} sich die Umsetzung dieser Vorgehensweise auch im Rahmen industrieller Anwendungen vereinfachen. Das Einbetten ausgew{\"a}hlter TPM-Farbstoffe (Kristallviolett und Brilliantgr{\"u}n) in die LPU-Coatings durch blend formation f{\"u}hrte nachweislich zu antimikrobieller Wirkung der Oberfl{\"a}chenbeschichtung, ohne dass die Oberfl{\"a}chenbeschaffenheit an Homogenit{\"a}t verlor. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten LPU-Coatings k{\"o}nnten zuk{\"u}nftig als Korrosionsschutz- und antimikrobielle-Beschichtungen ihre Anwendung finden, z. B. in der Landwirtschaft und im Bausektor. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur strukturellen Aufkl{\"a}rung des komplexen Biopolymers Lignin. Dar{\"u}ber hinaus stellen die Untersuchungen und Ergebnisse eine Grundlage f{\"u}r eine nachhaltige Herstellung von Lignin-basierten Polymerbeschichtungen dar, die in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen werden.},
  language  = {de}
}