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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.
Due to the use of fossil fuel resources, many environmental problems have been increasingly growing. Thus, the recent research focuses on the use of environment friendly materials from sustainable feedstocks for future fuels, chemicals, fibers and polymers. Lignocellulosic biomass has become the raw material of choice for these new materials. Recently, the research has focused on using lignin as a substitute material in many industrial applications. The antiradical and antimicrobial activity of lignin and lignin-based films are both of great interest for applications such as food packaging additives. DPPH assay was used to determine the antioxidant activity of Kraft lignin compared to Organosolv lignins from different biomasses. The purification procedure of Kraft lignin showed that double-fold selective extraction is the most efficient confirmed by UV-Vis, FTIR, HSQC, 31PNMR, SEC, and XRD. The antioxidant capacity was discussed regarding the biomass source, pulping process, and degree of purification. Lignin obtained from industrial black liquor are compared with beech wood samples: Biomass source influences the DPPH inhibition (softwood > grass) and the TPC (softwood < grass). DPPH inhibition affected by the polarity of the extraction solvent. Following the trend: ethanol > diethylether > acetone. Reduced polydispersity has positive influence on the DPPH inhibition. Storage decreased the DPPH inhibition but increased the TPC values. The DPPH assay was also used to discuss the antiradical activity of HPMC/lignin and HPMC/lignin/chitosan films. In both binary (HPMC/lignin) and ternary (HPMC/lignin/chitosan) systems the 5% addition showed the highest activity and the highest addition had the lowest. Both scavenging activity and antimicrobial activity are dependent on the biomass source; Organosolv of softwood > Kraft of softwood > Organosolv of grass. Lignins and lignin-containing films showed high antimicrobial activities against Gram-positive and Gram-negative bacteria at 35 °C and at low temperatures (0-7 °C). Purification of Kraft lignin has a negative effect on the antimicrobial activity while storage has positive effect. The lignin leaching in the produced films affected the activity positively and the chitosan addition enhances the activity for both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Testing the films against food spoilage bacteria that grow at low temperatures revealed the activity of the 30% addition on HPMC/L1 film against both B. thermosphacta and P. fluorescens while L5 was active only against B. thermosphacta. In HPMC/lignin/chitosan films, the 5% addition exhibited activity against both food spoilage bacteria.
Miscanthus bietet als nachwachsende Industrie- und Energiepflanze zahlreiche Vorteile, die neben den direkten landwirtschaftlichen Anwendungen wie Verbrennung und Tiereinstreu auch eine stoffliche Nutzung im chemischen Bereich zulassen. Als C4-Pflanze mit gesteigerter Photosynthese-Aktivität weist Miscanthus zudem eine hohe CO2-Fixierrate auf. Aufgrund des geringen Kultivierungsaufwandes sowie der hohen Erträge bietet sich Miscanthus als ausgesprochen attraktiver Rohstoff für die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe und Chemikalien an, welche mittels thermo-chemischer Umwandlung gewonnen werden.