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Traditional and newly developed testing methods were used for extensive application-related characterization of transdermal therapeutic systems (TTS) and pressure sensitive adhesives (PSA). Large amplitude oscillatory shear tests of PSAs were correlated to the material behavior during the patient’s motion and showed that all PSAs were located close to the gel point. Furthermore, an increasing strain amplitude results in stretching and yielding of the PSA´s microstructure causing a consolidation of the network and a release with increasing strain amplitude. RheoTack approach was developed to allow for an advanced tack characterization of TTS with visual inspection. The results showed a clear resin content and rod geometry dependent behavior, and displays the PSA´s viscoelasticity resulting in either high tack and long stretched fibrils or non-adhesion and brittle behavior. Moreover, diffusion of water / sweat during TTS´s application might influence its performance. Therefore, a dielectric analysis based evaluation method displayed occurring water diffusion into the PSA from which the diffusion coefficient can be determined, and showed clear material and resin content dependent behavior. All methods allow for an advanced product-oriented material testing that can be utilized within further TTS development.
Bedingt durch die zunehmende Rohstoffknappheit rückt die Suche nach alternativen, nachhaltigen Rohstoffen immer mehr in den Vordergrund. Im Hinblick auf effiziente chemische Verwertbarkeit bietet Lignin zahlreiche Vorteile für verschiedene Anwendungsbereiche, beispielsweise für biobasierte Polyurethanbeschichtungen, etwa zum Korrosionsschutz. Wesentliche Probleme bei der Verwendung von Lignin ergeben sich durch die Heterogenität dieses Naturstoffes sowie durch dessen geringe Polymerisations-Kompatibilität mit Polyolefinen; beide Faktoren beeinflussen u. a die mechanischen Eigenschaften entsprechender Lignin-basierter Polymere. Zudem hängt 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 Strukturaufklärung unmodifizierter und modifizierter Kraft-Lignine (KL) und die Untersuchung der Reaktivität aromatischer wie aliphatischer Hydroxygruppen in Abhängigkeit vom pH-Wert. Hierzu wurden unmodifizierte KL aus Schwarzlauge extrahiert und nachfolgend zunächst einer Soxhlet-Extraktion unterzogen, um in Methyltetrahydrofuran lösliche Lignin-Bestandteile – vornehmlich mit aromatischem Charakter – zu gewinnen und so eine verbesserte Löslichkeit auch im bei der nachfolgenden Polyurethansynthese als Lösemittel verwendeten THF zu gewährleisten. Überdies wurden die extrahierten KL via Demethylierung von Methoxygruppen chemisch modifiziert. Zudem wurde mittels nasschemischer Methoden sowie mit differentieller UV/VIS-Spektroskopie die Anzahl an für die Polymerisation erforderliche Hydroxygruppen quantifiziert. Im Anschluss erfolgte, unter besonderer Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeitsaspekte, die Synthese Lignin-basierter und funktionalisierter Polyurethanbeschichtungen. Die Oberflächenfunktionalisierung gestattete die Verbesserung der Oberflächenhomogenität sowie - via blend formation - das Einbetten von TPM-Farbstoffen in die Coatings. Hinsichtlich des Einflusses des bei der Extraktion gewählten pH-Wertes (pH = 2 - 5) auf das Verhalten der so gewonnenen KL wurde eine Veränderung sowohl der Struktur der Lignine als auch deren thermischer Stabilität beobachtet. Zudem wurde nachgewiesen, dass mit steigendem pH-Wert die Funktionalität/Reaktivität 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 höheren pH-Werten extrahierten KL homogenere, hydrophobe Oberflächenbeschaffenheit sowie gute thermische Stabilität. Zusätzliche Modifizierung der KL durch Demethylierung führte wegen der gesteigerten Anzahl freier Hydroxygruppen zu moderater Reaktivitätssteigerung und damit zu weiterer Verbesserung der Oberflächeneigenschaften hinsichtlich einer homogenen Oberflächenstruktur und -brillanz. Im Hinblick auf den Aspekt der Nachhaltigkeit wurden durch Syntheseoptimierung - bestehend aus Einstellung der Rohstoff-Korngröße, Ultraschallbehandlung und Verwendung des kommerziellen trifunktionellen Polyetherpolyols Lupranol® 3300 in Kombination mit Desmodur® L75 - die Löslichkeit von Lignin im Polyol sowie die thermische Stabilität der LPU-Coatings erhöht. Im Zuge der Syntheseoptimierungen konnte durch verkürzte Trocknungszeiten Energieeinsparung erzielt werden; zudem ließen sich dabei die eingesetzten Mengen kommerziell erhältlicher Chemikalien verringern; beide Einsparungen führten zu Kostenreduktion. Zugleich ließ sich so nicht nur der KL-Anteil im Polymer-Coating erhöhen: Durch eine optimierte wirtschaftliche Einstufensynthese ließ sich die Umsetzung dieser Vorgehensweise auch im Rahmen industrieller Anwendungen vereinfachen. Das Einbetten ausgewählter TPM-Farbstoffe (Kristallviolett und Brilliantgrün) in die LPU-Coatings durch blend formation führte nachweislich zu antimikrobieller Wirkung der Oberflächenbeschichtung, ohne dass die Oberflächenbeschaffenheit an Homogenität verlor. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten LPU-Coatings könnten zukünftig 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 Aufklärung des komplexen Biopolymers Lignin. Darüber hinaus stellen die Untersuchungen und Ergebnisse eine Grundlage für eine nachhaltige Herstellung von Lignin-basierten Polymerbeschichtungen dar, die in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen werden.
In this doctoral thesis the curing process of visible light-curing (VLC) dental composites and 3D printing rapid prototyping (RP) materials are investigated with the focus on dielectric analysis (DEA). This method is able to monitor the curing of resins in an alternating electric fringe field with adjustable frequencies and is often used for cure control of composites manufacturing in the aviation and automotive industry but hardly established in dental science or RP method development. It is capable of investigating very fast initiation and primary curing processes using high frequencies in the kHz-range. The aim of the Thesis is a better understanding of the curing processes with respect to curing parameters such as resin composition, viscosity, temperature, and for light-curing composites also light intensity and irradiation depth. Due to the nature of both dental and RP systems an application of specific experimental set-up had to be designed allowing for the generation of reproducible and valid results. Subsequently, different evaluation methods were developed to characterize the curing behavior of both material types. A special focus was paid to the determination of kinetic parameters from DEA measurements. Reaction rates of the curing of the corresponding thermosets were calculated and applied to the ion viscosity curves measured by DEA to evaluate reaction kinetic parameters. For the dental composites it could be clearly shown that the initial curing rate is directly proportional to light intensity and not to its square root as proposed by many others authors. A good description of the curing behaviour of 3DP RP materials was also achieved assuming a reaction order smaller than one. This data provides the base for the kinetic modeling of polymerization and curing processes proposed within the Thesis.
Microorganisms not only contribute to the spoilage of food but can also cause illnesses through consumption. Consumer concerns and doubts about the shelf life of the products and the resulting enormous amounts of food waste have led to a demand for a rapid, robust, and non-destructive method for the detection of microorganisms, especially in the food sector. Therefore, a rapid and simple sampling method for the Raman- and infrared (IR)-microspectroscopic study of microorganisms associated with spoilage processes was developed. For subsequent evaluation pre-processing routines, as well as chemometric models for classification of spoilage microorganisms were developed. The microbiological samples are taken using a disinfectable sampling stamp and measured by microspectroscopy without the usual pre-treatments such as purification separation, washing, and centrifugation. The resulting complex multivariate data sets were pre-processed, reduced by principal component analysis, and classified by discriminant analysis. Classification of independent unlabeled test data showed that microorganisms could be classified at genus, species, and strain levels with an accuracy of 96.5 % (Raman) and 94.5 % (IR), respectively, despite large biological differences and novel sampling strategies. As bacteria are exposed to constantly changing conditions and their adaptation mechanisms may make them inaccessible to conventional measurement methods, the methods and models developed were investigated for their suitability for microorganisms exposed to stress. Compared to normal growth conditions, spectral changes in lipids, polysaccharides, nucleic acids, and proteins were observed in microorganisms exposed to stress. Models were developed to discriminate microorganisms, independent of the involvement of various stress factors and storage times. Classification of the investigated bacteria yielded accuracies of 97.6 % (Raman) and 96.6 % (IR), respectively, and a robust and meaningful model was developed to discriminate different microorganisms at the genus, species, and strain levels. The obtained results are very promising and show that the methods and models developed for the discrimination of microorganisms as well as the investigation of stress factors on microorganisms by means of Raman- and IR-microspectroscopy have the potential to be used, for example, in the food sector for the rapid determination of surface contamination.
Discrimination and classification of eight strains related to meat spoilage microorganisms commonly found in poultry meat were successfully carried out using two dispersive Raman spectrometers (Microscope and Portable Fiber-Optic systems) in combination with chemometric methods. Principal Components Analysis (PCA) and Multi-Class Support Vector Machines (MC-SVM) were applied to develop discrimination and classification models. These models were certified using validation data sets which were successfully assigned to the correct bacterial genera and even to the right strain. The discrimination of bacteria down to the strain level was performed for the pre-processed spectral data using a 3-stage model based on PCA. The spectral features and differences among the species on which the discrimination was based were clarified through PCA loadings. In MC-SVM the pre-processed spectral data was subjected to PCA and utilized to build a classification model. When using the first two components, the accuracy of the MC-SVM model was 97.64% and 93.23% for the validation data collected by the Raman Microscope and the Portable Fiber-Optic Raman system, respectively. The accuracy reached 100% for the validation data by using the first eight and ten PC’s from the data collected by Raman Microscope and by Portable Fiber-Optic Raman system, respectively. The results reflect the strong discriminative power and the high performance of the developed models, the suitability of the pre-processing method used in this study and that the low accuracy of the Portable Fiber-Optic Raman system does not adversely affect the discriminative power of the developed models.
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.
Process-dependent thermo-mechanical viscoelastic properties and the corresponding morphology of HDPE extrusion blow molded (EBM) parts were investigated. Evaluation of bulk data showed that flow direction, draw ratio, and mold temperature influence the viscoelastic behavior significantly in certain temperature ranges. Flow induced orientations due to higher draw ratio and higher mold temperature lead to higher crystallinities. To determine the local viscoelastic properties, a new microindentation system was developed by merging indentation with dynamic mechanical analysis. The local process-structure-property relationship of EBM parts showed that the cross-sectional temperature distribution is clearly reflected by local crystallinities and local complex moduli. Additionally, a model to calculate three-dimensional anisotropic coefficients of thermal expansion as a function of the process dependent crystallinity was developed based on an elementary volume unit cell with stacked layers of amorphous phase and crystalline lamellae. Good agreement of the predicted thermal expansion coefficients with measured ones was found up to a temperature of 70 °C.
Process-induced changes in thermo-mechanical viscoelastic properties and the corresponding morphology of biodegradable polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polylactic acid (PLA) blown film blends modified with four multifunctional chain-extending cross-linkers (CECL) were investigated. The introduction of CECL modified the properties of the reference PBAT/PLA blend significantly. The thermal analysis showed that the chemical reactions were incomplete after compounding, and that film blowing extended them. SEM investigations of the fracture surfaces of blown extrusion films reveal the significant effect of CECL on the morphology formed during the processing. The anisotropic morphology introduced during film blowing proved to affect the degradation processes as well. Furthermore, the reactions of CECL with PBAT/PLA induced by the processing depend on the deformation directions. The blow-up ratio parameter was altered to investigate further process-induced changes proving synergy with mechanical and morphological features. Using blown film extrusion, the elongational behavior represents a very important characteristic. However, its evaluation may be quite often problematic, but with the SER Universal Testing Platform it was possible to determine changes in the duration of time intervals corresponding to the rupture of elongated samples.
Lignin ist ein aromatisches Biopolymer, das in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt. Es ist hauptsächlich aus drei sogenannten Monolignolen (p-Hydroxyphenyl (H), Guajakol (G) und Syringol (S)) aufgebaut, die über verschiedene Bindungen miteinander verknüpft sein können, und enthält eine Vielzahl an funktionellen Gruppen. Interessant für die Verwendung von Lignin sind dabei insbesondere die vielen phenolischen Hydroxygruppen, die als Ausgangsstoff bei der Synthese neuer Produkte dienen können, daneben aber auch für seine antioxidativen Eigenschaften verantwortlich sind. Da Struktur und Eigenschaften von vielen Faktoren wie Biomasse und Aufschlussprozess abhängen, ist eine detaillierte Charakterisierung der Lignine nötig, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufzuklären und so einen Schritt näher an eine mögliche stoffliche Nutzung zu kommen. Mit dieser Arbeit soll der Einfluss der Biomasse inklusive der verwendeten Partikelgröße sowie des Organosolv-Aufschlussprozesses auf die Monomerzusammensetzung, das Molekulargewicht und die Antioxidanz der isolierten Lignine untersucht werden.
Als Rohstoffe zur Ligningewinnung dienen die drei mehrjährigen lignocellulosereichen Low-Input-Pflanzen Miscanthus x giganteus, Silphium perfoliatum und Paulownia tomentosa, die momentan hauptsächlich zur Energiegewinnung genutzt werden. Im Rahmen der Bioökonomiestrategie der Europäischen Union soll der Schwerpunkt zukünftiger Bioraffinerien jedoch auf eine ganzheitliche Nutzung von Biomassen gelegt und so auch die stoffliche Nutzung fokussiert werden. Zusätzlich zu diesen drei Pflanzen werden auch Organosolv-Lignine aus den in der Literatur bereits gut beschriebenen Biomassen Weizenstroh und Buchenholz isoliert, und zwei Nadelholz-Kraft-Lignine als Vergleich herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art der Biomasse hauptsächlich die Monomerzusammensetzung beeinflusst: Gräser bestehen aus allen drei Monolignolen, Laubhölzer mehrheitlich aus S- und G-Einheiten, während Nadelhölzer nur aus G-Einheiten aufgebaut sind. Die Holzlignine besitzen zudem höhere Molekulargewichte sowie bessere antioxidative Eigenschaften als die Gras- und Krautlignine. Mit der feineren Vermahlung der Biomasse kann die Monomerzusammensetzung beeinflusst werden: der Einsatz kleinerer Partikelgrößen führt zu Ligninen mit einem höheren Gehalt an H-Einheiten, sowohl für Miscanthus als auch für Paulownia. Außerdem kann bei Paulownia die Ausbeute gesteigert und eine Zunahme des Molekulargewichtes beobachtet werden, wenn die kleinste Siebfraktion für den Organosolv-Aufschluss verwendet wird. Einen größeren Einfluss als der Mahlgrad der Biomasse haben die Autohydrolyse sowie der Organosolv-Aufschlussprozess selbst. Die Monomerzusammensetzung ändert sich aufgrund derselben Biomasse zwar kaum, die Bindungstypen zwischen den Monolignolen dagegen schon. Mit höherer Prozessstärke (Zeit, Temperatur, Ethanol-Konzentration) werden Etherbindungen gespalten, was den Anteil an phenolischen Hydroxygruppen und somit die Antioxidanz erhöht. Neben dieser Depolymerisation werden partiell auch Rekondensationsreaktionen beobachtet.
Die erzielten Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Ligninquelle und -gewinnung mit der daraus resultierenden Ligninstruktur und Antioxidanz und bieten damit eine Grundlage für den Wandel von der energetischen hin zu einer nachhaltigen stofflichen Nutzung dieses nachwachsenden Biopolymers. Gerade über die Wahl der Aufschlussparameter können Struktur und Antioxidanz gezielt beeinflusst werden, was in zukünftigen Studien weiter fokussiert werden sollte.