Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Resorcinol-Formaldehyd-Aerogele zur Anwendung in Kreislaufwärmerohren (LHP) als Dochtmaterial entwickelt. Aerogele als Dochtmaterial bilden aufgrund der hohen Porosität und der effektiven Kapillarwirkung eine gute Grundvoraussetzung für Stoff- und Wärmetransport. Diese Eigenschaften können zu einer Verbesserung der Kühlleistung einer Wärmepumpe beitragen. Dazu wurden Aerogele in Dochtform synthetisiert und anschließend erfolgte die Bestimmung der skelettalen Dichte, umhüllenden Dichte, Porosität und Gaspermeabilität. Zusätzlich wurde ein Test zum Schwellverhalten entwickelt. Außerdem wurden die Proben zur Fa. Allatherm gesendet, um die Anforderungen an die entwickelten RFAerogele in Dochtform zu prüfen. Die mechanische Bearbeitbarkeit der Aerogele konnte verbessert werden. Die Porosität und die Gaspermeabilität der untersuchten Aerogele lagen in einem optimalen Bereich. Nur die Durchgangsporengröße der Aerogele, die mittels Gasblasendruck-Analyse bestimmt wurde, benötigt weitere Rezeptentwicklungen und Messungen, um die größte Durchgangspore in Richtung 1 µm einzugrenzen.
Die Matrix ist eine der entscheidenden Hauptkomponenten oxidkeramischer Faserverbundwerkstoffe (Ox-CMCs). Im Herstellungsprozess stellen typischerweise keramische Schlicker die Ausgangsbasis für die spätere Ausbildung der Matrix im CMC dar. Die Aufbereitungsart und -dauer keramischer Schlicker haben dabei wesentlichen Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften des Schlicker und die Eigenschaften der späteren Matrix. In dieser Arbeit wird der Einfluss verschiedener Aufbereitungsparameter auf die Schlickereigenschaften und das Sinterverhalten untersucht. Dazu werden zwei Aufbereitungsverfahren, Planeten- und Ringspaltkugelmühle, eingesetzt sowie Mahlkörpermaterialien (Al2O3 und ZrO2), Additive (Glycerin) und Aufbereitungsdauer gezielt verändert. Es wurden Partikelgrößenverteilung, Rheologie und Feststoffgehalt ermittelt, sowie die Mikrostruktur und Schwindung analysiert. Im Vergleich zur Ringspaltkugelmühle konnte eine definierte Partikelgrößenverteilung mit der Planetenkugelmühle bereits nach einem Drittel der Zeit erreicht werden. Zusätzlich wird mit zunehmender Mahldauer auch die Neigung zur Thixotropie beobachtet. Bei zu langer Aufbereitungsdauer, aber fast identischer Partikelgrößenverteilung führt dieser Effekt zu Problemen bei der Herstellung von Ox-CMCs über das Wickelverfahren. Insgesamt ist dieses Verhalten stärker ausgeprägt bei Schlickern mit wenig Glyceringehalt. Gleichzeitig werden bei Schlickern mit gleichen Feststoffanteilen, aber höherem Glycerinanteil niedrigere Viskositäten gemessen. Mit zunehmendem Glyceringehalt steigt der Gewichtsverlust, jedoch nimmt die Sinterschwindung der Proben ab. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse können für die Optimierung des Wicklungsprozesses zur CMC-Herstellung genutzt werden.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde eine praxisorientierte Methode entwickelt, die es ermöglicht, Bodenproben nach ihrer Entnahme auf dem Feld aufzubereiten und hinsichtlich ihres Mikroplastikgehaltes analysieren zu können. Die Extraktionsmethode wurde bereits für zwei Polymere, PA 12 und PE (Mulchfolienpartikel), mit Wiederfindungsraten von je 100 % für Partikel größer als 0,5 mm validiert. Für Partikel größer als 63 μm liegt die Wiederfindungsrate für PE-Mulchfolienpartikel bei 97 % beziehungs-weise für PA-Partikel bei 86 %. Weiterhin wurden verschiedene spektroskopische Detektions-methoden untersucht und hinsichtlich ihrer Potentiale und Grenzen miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Digitalmikroskopie zwar sehr gut geeignet ist, die Farbe, Größe, Form und Anzahl der Partikel zu bestimmen, jedoch stark von der subjektiven Einschätzung abhängig ist. Sie sollte daher in jedem Fall mit einer weiteren Detektionsmethode kombiniert werden. In dieser Arbeit wurde hierzu die ATR-FTIR-Spektroskopie verwendet. Diese ermöglicht zusätzlich die Bestimmung des Polymertyps einzelner Partikel mit einer unteren Nachweisgrenze von 500 μm. Die Methode konnte auf insgesamt fünf landwirtschaftlich genutzten Flächen angewendet werden, wovon zwei konventionell und drei ökologisch bewirtschaftet werden. Um einen ersten Eindruck über die aktuelle Mikroplastik-Belastung von Agrarböden zu erhalten, wurden die mit Hilfe der in dieser Forschungsarbeit entwickelten Methode erhaltenen Ergebnisse extrapoliert und als Emissionskoeffizienten in verschiedenen Einheiten angegeben.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines, für die kontrollierte Freisetzung hydrophiler Wirkstoffe geeigneten, Verkapselungssystems mit dem Ziel die Freisetzung osteospezifischer P2-Liganden zu verzögern, um bei der Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe die Bildung neuen Knochengewebes zu gewährleisten. Hierfür werden, unter Anwendung der immersiven Layer-by-Layer-Beschichtung, mit den Modell-Substanzen Adenosintriphosphat und Suramin versetzte, Alginat sowie κ-Carrageen-Kapseln mit Chitosan und Lignosulfonat beschichtet und auf ihr Freisetzungsverhalten hin untersucht.
In dieser vorliegenden Arbeit wurde der photolytische und photokatalytische Abbau von Lignin untersucht. Eine Charakterisierung des verwendeten Photoreaktors wurde mittels Kalium-Ferrioxalat-Aktinometrie durchgeführt. Zur Analyse der abgebauten Lignine wurde eine Optimierung einer bereits bestehenden Methode zur Bestimmung des Hydroxylgehaltes erarbeitet. Die Bestimmung der Hydroxylgehalte erfolgte demnach bei Raumtemperatur nach einer Acetylierungsdauer von 72 h und zeigte eine Abnahme der Hydroxylgehalte mit andauernder UV-Bestrahlung. Selbige Beobachtung konnte mit Hilfe der ATR-IR-Spektroskopie gemacht werden. Zusätzlich konnte die Bildung von Carbonsäuren und der Abbau von aromatischen Strukturen detektiert werden. Der Abbau aromatischer Strukturen konnte ebenfalls durch UV-VIS-Spektroskopie gezeigt werden. Eine Vermutung, dass es sich bei dem Abbauprozess um einen oxidativen Mechanismus handelt, konnte mit dem Abbau von Hydroxylgruppen über eine Bildung von Carbonsäuren zu Kohlenstoffdioxid bestätigt werden. Eine Freisetzung von Kohlenstoffdioxid konnte durch eine Bestimmung des IC festgestellt werden. Die Ergebnisse der Gel-Permeations-Chromatographie zusammen mit einer TOC-Analyse zeigen einen Abbau der molaren Masse des Lignins auf. Es konnten Fragmente mit einer Molmasse ähnlich der Monomere des Lignins gefunden werden. Der eingesetzte Photokatalysator wurde via Röntgenbeugung untersucht und konnte als das hoch photokatalytisch aktive P25 von Degussa identifiziert werden. Trotz des Einsatzes verschiedener Katalysatorkonzentrationen in einem Bereich von 0-0,5 g L^(-1) konnte kein Einfluss des Photokatalysators auf den Abbauprozess des Lignins beobachtet werden.
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.
Im Rahmen der Arbeit wurde Kraft-Lignin mit Natriumsulfit demethyliert, um den Gehalt an aromatischen Hydroxygruppen zu erhöhen und damit die Reaktivität des Lignins in Bezug auf Polyurethan-Synthesen zu erhöhen. Variiert wurden die Demethylierungstemperatur (72°C, 90°C) sowie der pH-Wert zur Isolierung des Kraft-Lignins (pH 2, 3, 4 und 5). Die Analyse der demethylierten Proben erfolgte mittels differentieller UV-Spektroskopie und der OH-Gehaltbestimmung via automatischer Titration (angelehnt an ISO 14900:2001(E)). Weitere Untersuchungen umfassten Löslichkeitstests sowie Strukturanalysen via FTIR- und UV/Vis-Spektroskopie.
Auf der Suche nach einem CO2-Filtermaterial für niedrige Partialdrücke wurden Aerogel-Beads aus Chitosan analysiert. Da zahlreiche Publikationen und Reviews auf die Fähigkeit von Aminen CO2 zu adsorbieren hinweisen, wurden diese Beads funktionalisiert, um den Amingehalt im Netzwerk und damit die Adsorptionskapazität zu erhöhen. Die Beads wurden mit Hilfe eines JetCutters hergestellt, mit Polyethylenimin (PEI), p-Phenylendiamin (PPD) und 1,2-Epoxyhexan (EH) funktionalisiert und anschließend überkritisch getrocknet. Die Ansätze wurden bei jeweils unterschiedlichen pH-Werten durchgeführt, um Aussagen über den Einfluss von NaOH auf die Reaktion treffen zu können. Alle Proben wurden mit für Aerogele typischen Methoden charakterisiert und auf ihre CO2-Adsorptionskapazität untersucht. Die Adsorptionskapazität der Chitosan Beads konnte durch Aufpfropfen der oben genannten Stoffe nur leicht verbessert werden, während die Funktionalisierung mit PPD dagegen überraschender Weise negative Auswirkungen hatte. Eine Funktionalisierung findet auch in Abwesenheit von NaOH statt.