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In der vorliegenden Arbeit wurde Kraft-Lignin als Makromonomer für die Synthese von thermoplastischen Polyurethanen mit hoher molarer Masse durch acide Präzipitation aus Schwarzlauge isoliert. Die Charakterisierung des Rohstoffes bezüglich seiner Ausgangsmolmasse erfolgte mittels Gel-Permeations-Chromatographie mit Polystyren-Polymerstandard, welche sich als sehr hilfreiche Analysemethode erwies. Da das Kraft-Lignin die klassische Polyolkomponente bei der Synthese von Polyurethanen ersetzen sollte, war es notwendig, den Hydroxylgehalt des Kraft-Lignins zu bestimmen. Für diesen Zweck wurde eine bereits etablierte Prozedur zur nasschemischen Bestimmung des Hydroxylgehaltes von Polyolen für die Synthese von Polyurethanen einer Adaption unterzogen. Es wurde die Reaktionsdauer bei der Acetylierung des Kraft-Lignins variiert. Das Ergebnis war, dass die Messgenauigkeit durch eine Erhöhung der Reaktionsdauer von 1 h auf 3 h drastisch von 25,5 % auf 3,6 % reduziert werden konnte. Um abschätzen zu können, ob die erzielte Messgenauigkeit im Rahmen einer nasschemischen Prozedur mit manueller Titration liegt, wurden zusätzlich die Hydroxylgehalte von Ethandiol und Saccharose bestimmt. Diese dienten als Referenzsubstanz mit definierten und bekannten Hydroxylgehalten. Die Ermittlung der Hydroxylgehalte mit diesen Substanzen ergab für Ethandiol eine Messgenauigkeit von 2,2 % und für Saccharose eine Messgenauigkeit von 1,4 %. Eine Messgenauigkeit von 3,6 % ist in Anbetracht des Zeitaufwandes akzeptabel.
Für die Synthese von thermoplastischen Polyurethanen wurde Kraft-Lignin mit Methylendiphenyldiisocyanat in Dimethylacetamid mit Zinnoktoat als Katalysator zur Reaktion gebracht. Es wurde das NCO/OH-Verhältnis und die Reaktionsdauer variiert. Die Analyse der synthetisierten Polyurethane erfolgte mittels Ubbelohde-Kapillarviskosimetrie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Schmelzpunktbestimmung. Die FTIR-Spektren bestätigte eine erfolgreiche Synthese von Polyurethanen aus Kraft-Lignin und Methylendiphenyldiisocyanat und zeigte, dass die Variation des NCO/OH-Verhältnisses und der Reaktionsdauer keinerlei Einflüsse auf die chemische Grundstruktur des Polyurethans hat. Die Ubbelohde-Kapillarviskosimetrie belegte die thermoplastischen Eigenschaften des synthetisierten Polyurethans, die sich in einem thermoplastischen Nassprozess verarbeiten lassen. Sie zeigte auch die Abhängigkeit der Molmasse der synthetisierten Polyurethane von der Reaktionsdauer und vom NCO/OH-Verhältnis. So steigt die Molmasse des Polyurethans mit steigender Reaktionsdauer und sinkendem NCO/OH-Verhältnis. Letztere Beobachtung ist sogar praktisch hinsichtlich der gesundheitsgefährdenden Eigenschaft von Isocyanaten, da so der Einsatz von Isocyanaten reduziert werden kann. Um die schmelzflüssige Verarbeitbarkeit des synthetisierten Polyurethans zu untersuchen, wurden die Schmelzpunkte der Polymere bestimmt. Es konnte in einem Temperaturbereich von 25 °C-410 °C keine Aggregatzustandsänderung, sondern lediglich eine Zersetzungsreaktion beobachtet werden.
This research studies in detail four different assays, namely DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl), ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)), FRAP (ferric ion reducing antioxidant potential) and FC (Folin-Ciocalteu), to determine the antioxidant capacity of standard substances as well as 50 organosolv lignins, and two kraft lignins. The coefficient of variation was determined for each method and was lowest for ABTS and highest for DPPH. The best correlation was found for FRAP and FC, which both rely on a single electron transfer mechanism. A good correlation between ABTS, FRAP and FC, respectively, could be observed, even though ABTS relies on a more complex reaction mechanism. The DPPH assay merely correlates with the others, implying that it reflects different antioxidative attributes due to a different reaction mechanism. Lignins obtained from paulownia and silphium have been investigated for the first time regarding their antioxidant capacity. Paulownia lignin is in the same range as beech wood lignin, while silphium lignin resembles wheat straw lignin. Miscanthus lignin is an exception from the grass lignins and possesses a significantly higher antioxidant capacity. All lignins possess a good antioxidant capacity and thus are promising candidates for various applications, e. g. as additives in food packaging or for biomedical purposes.
Lignin ist bereits ein intensives Gebiet der Forschung, allerdings werden Verknüpfungen zwischen Quelle, Aufschlussmethode und Einsatz in der Literatur kaum beschrieben. In der vorliegenden Arbeit werden Lignine von verschiedenen Quellen (Weizenstroh, Buche, Nadelholz) und Aufschlussmethoden (AFEX, Wasserdampfaufschluss, Organosolv, Saure Hydrolyse) analytisch erfasst und hinsichtlich ihres Einsatzes in polymeren Materialien charakterisiert. Eine breite Auswahl an Methoden wurden eingesetzt, FT-IR- Spektroskopie, UV-Vis, 31P-NMR, GPC, Pyrolyse-GC/MS, sowie HPLC zur Bestimmung der Reinheit gemäß des NREL-Standard-Protokolls. Thermische Analysen, wie TGA und DSC zeigten Glasübergangstemperaturen um 120°C, sowie Zersetzungstemperaturen zwischen 340°C und 380°C. Die Ergebnisse weisen für das Organosolv-Buchenholz-Lignin hochreine Fraktionen auf, die bis dato noch nicht erreicht wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit identifizien die Organosolv-Buchenholz-Lignine als ein verwertbares Produkt im Hinblick auf die Anwendung in Polyurethanen sowie Phenol-Formaldehydharzen.
As a low-input crop, Miscanthus offers numerous advantages that, in addition to agricultural applications, permits its exploitation for energy, fuel, and material production. Depending on the Miscanthus genotype, season, and harvest time as well as plant component (leaf versus stem), correlations between structure and properties of the corresponding isolated lignins differ. Here, a comparative study is presented between lignins isolated from M. x giganteus, M. sinensis, M. robustus and M. nagara using a catalyst-free organosolv pulping process. The lignins from different plant constituents are also compared regarding their similarities and differences regarding monolignol ratio and important linkages. Results showed that the plant genotype has the weakest influence on monolignol content and interunit linkages. In contrast, structural differences are more significant among lignins of different harvest time and/or season. Analyses were performed using fast and simple methods such as nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Data was assigned to four different linkages (A: β-O-4 linkage, B: phenylcoumaran, C: resinol, D: β-unsaturated ester). In conclusion, A content is particularly high in leaf-derived lignins at just under 70% and significantly lower in stem and mixture lignins at around 60% and almost 65%. The second most common linkage pattern is D in all isolated lignins, the proportion of which is also strongly dependent on the crop portion. Both stem and mixture lignins, have a relatively high share of approximately 20% or more (maximum is M. sinensis Sin2 with over 30%). In the leaf-derived lignins, the proportions are significantly lower on average. Stem samples should be chosen if the highest possible lignin content is desired, specifically from the M. x giganteus genotype, which revealed lignin contents up to 27%. Due to the better frost resistance and higher stem stability, M. nagara offers some advantages compared to M. x giganteus. Miscanthus crops are shown to be very attractive lignocellulose feedstock (LCF) for second generation biorefineries and lignin generation in Europe.