Bio-Based Resins and Green Composites from Renewable Resources

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertation

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird der Einsatz nachwachsender Rohstoffe, wie zum Beispiel unterschiedliche Pflanzenöle und Lignine, zur Herstellung von Duromeren ebenso diskutiert wie die Verwendung von Naturfasern als natürliche Verstärkungsmaterialien bei der Erzeugung von Verbundwerkstoffen. Die natürlichen Ausgangsmaterialien werden im Hinblick auf ihre Anfordernisse chemisch modifiziert und als vollständige oder partielle Ersatzstoffe in Duromeren und Verbundwerkstoffen eingesetzt. Untersucht werden chemische Synthese, Kinetik der Aushärteprozesse sowie die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Produkte. Zur Herstellung eines Epoxidharzes wurde Leinöl durch enzymatische Umwandlung seiner Doppelbindungen in Oxiranringe in ein epoxidiertes Leinöl überführt. Dieses wurde in weiterer Folge mit maleiniertem Leinöl und einem aus Kiefernöl gewonnenen Polyamid umgesetzt und ausgehärtet. Um die Vernetzungsdichte und Wärmeformbeständigkeit zu verbessern wurde das epoxidierte Leinöl mit einem zyklischen Anhydrid und einem Imidazol als Initiator ausgehärtet. Die Kinetik der Aushärtung ließ sich durch die „model free kinetic method“ (MFK) ermitteln. Verglasung wurde bei niedriger Heizrate durch einen schnellen Abfall der komplexen Wärmekapazität mittels „Alternating Differential Scanning Calorimetry“ erkannt. Ein lösungmittelfreies Acrylharz wurde aus pflanzlichem Öl nach erfolgter Epoxidierung mit Acrylsäure synthetisiert.Das synthetisierte Acrylharz wurde mittels verschiedener Photoinitiatoren unter UV-Strahlung ausgehärtet.Um die Beschichtungseigenschaften zu testen wurden Holzproben mit dem acrylierten Leinöl beschichtet, welches eine glänzende Oberfläche mit sehr guten Haftungseigenschaften auf dem Holzsubstrat zeigte. Das Acrylharz aus Leinöl ist frei von flüchtigen organischen Substanzen („VOC-frei“) und kann damit als umweltfreundliches Beschichtungsharz für wärmeempfindliche Substrate verwendet werden. Isocyanatfreie Polyurethane lassen sich aus pflanzlichem Öl durch Umwandeln von epoxidiertem Leinöl zu einem zyklischen Carbonat mittels Kohlendioxid-Insertion synthetisieren.FTIR-Untersuchungen der Reaktion des zyklischen Carbonates mit dem Phenalkamin zeigten das Auftreten der sich bildenden Urethanbindungen. Die isocyanatfreien Urethane aus nachwachsenden Rohstoffen finden ihren Einsatz als flexible Beschichtungsmittel. Der Einsatz von Lignin als Phenolersatz bietet sich hauptsächlich bei der Herstellung von Phenol-Formaldehyd Harzen an. Auf sogenanntem „Kaft-Lignin“ basierende, modifizierte Phenol-Formaldehyd Harze wurden synthetisiert und die Kinetik während ihrer Aushärtung unter Verwendung verschiedener Beschleuniger mittels der „MFK-Methode“ untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß Kaliumcarbonat den Härtungsprozeß am günstigsten beeinflußt. Durch optimale Wahl der Kaliumcarbonatkonzentration können die Aushärtezeiten um fast die Hälfte reduziert werden. Das ligninmodifizierte Phenol-Formaldehyd Harz kann weiterhin als Bindemittel für Composites eingesetzt werden. Für diese Anwendung wurde methyloliertes Lignosulfonat mit welchem sich das reine Phenol zu einem großen Teil ersetzen läßt, synthetisiert. Das synthetisierte Harz wurde als Bindemittel für verschiedene natürliche faserverstärkte Verbundwerkstoffe verwendet. Die Bindemittel bewirken eine sehr gute Haftung zwischen Faser und Matrix bei der Verwendung von Kenaf- und Holzfasern. Eine Erhöhung des Anteils des Bindemittelmittels beeinflußt sowohl Biegefestigkeit als auch E-Modul in positiver Weise. Ebenso wie bei der Verwendung reinen Lignins kann auch bei Einsatz des Lignosulfonats bei der Herstellung von Phenol-Formaldehyd Harzen der Anteil des toxischen Phenols deutlich reduziert werden. Aus Naturfasern in Verbindung mit einem VOC-freien Acryl-Bindemittel ließen sich umweltverträgliche Verbundwerkstoffe mit guten mechanischen Eigenschaften und thermischer Stabilität erhalten.

Details

Titel in ÜbersetzungBio-basierende Harze und umweltfreundliche Verbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2013