Neuartige Ligninpolyole und Lignincarbonate als Ausgangsprodukte für biobasierte Polyurethane
Angesichts der Verknappung fossiler Ressourcen und des Klimawandels ist es erforderlich eine stärkere und effektivere Nutzung nachwachsender Rohstoffe durch die Entwicklung neuer Verwertungskonzepte und Produkte mit hoher Wertschöpfung zu forcieren. Besonders für das bei der Zellstoffherstellung in großen Mengen anfallende Lignin (ca. 70 Millionen t/a) fehlen wertschöpfende Nutzungskonzepte. Der überwiegende Teil des Lignins wird bislang energetisch genutzt, während nur ca. 2% einer stofflichen Verwertung zugeführt werden. Die Weiterentwicklung konventioneller und neuer Biomasse-Aufschlussverfahren wird in den kommenden Jahren außerdem zu einer deutlich besseren Verfügbarkeit des Lignins führen. Aufgrund ihrer hohen Reinheit sowie ihrer Struktur und Funktionalität bieten die aus der Bioraffinerie gewonnenen Lignine ausgezeichnete Voraussetzungen für die Herstellung von Polyurethanen.
Das Ziel des geplanten Promotionsvorhabens ist die Entwicklung von biobasierten Polyurethanen unter Verwendung neuartiger Ligninderivate. Dabei sollen zwei Strategien verfolgt werden:
1. Herstellung von Polyurethanen mit neuen Ligninpolyolen
2. Isocyanatfreie Herstellung von Polyurethanen mit neuen Lignincarbonaten
Im ersten Abschnitt des Promotionsvorhabens wurde eine effiziente, nicht-toxische und lösemittelfreie Methode zur Oxalkylierung von Ligninen (Auschluss: Organosolv, Kraft, Soda; Biomasse: Buche, Fichte/Kiefer, Eukalyptus, Weizenstroh) unter Verwendung von cyclischen organischen Carbonaten untersucht. Die Oxyalkylierungsmittel Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC) und Glycerincarbonat (GC) zeichnen sich durch eine geringe Toxizität, eine gute biologische Abbaubarkeit, eine hohe Löslichkeit sowie hohe Siede- und Flammpunkte und niedrigen Dampfdruck aus. Vergleichende Untersuchungen hinsichtlich der Wirkung von Temperatur, Reaktionszeit und Katalysator auf die Oxyalkylierung mit EC, PC, BC und GC wurden durchgeführt. Die so erzeugten Ligninpolyole wurden mittels spektroskopischer (FTIR, 1H-, 13C, 31P-NMR), chromatographischer (SEC) und thermischer (DSC) Methoden umfassend charakterisiert.
Im zweiten Abschnitt des Promotionsvorhabens wurde erfolgreich durch Reaktion von Organosolvlignin (Buche) mit Dimethylcarbonat ein Lignincarbonat erzeugt. Dieses wurde ebenfalls spektroskopisch (FTIR, 1H-, 13C, 31P-NMR), chromatographisch (SEC) und thermisch (DSC) detailliert charakterisiert.
Abschließend wurden nun die neuartigen Ligninpolyole und Lignincarbonate zu Polyurethanen verarbeitet. Diese Produkte wurden auf ihre mechanischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Es konnten Polyurethane hergestellt werden, die Festigkeitskennwerte und strukturelle Eigenschaften besitzen, die denen kommerziell verfügbarer Polyurethane entsprechen.