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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.
Pflanzenöle als Rohstoff für Polymere versprechen eine gute Nachhaltigkeit beim Einsatz in Duromermaterialien. Aus diesem Grund wurden elektronenstrahlhärtbare Harzsysteme auf Basis von epoxidiertem bzw. acryliertem Lein- oder Sojaöl untersucht, die aufgrund ihrer hohen Funktionalität eine gute Vernetzbarkeit versprechen. Die Elektronenstrahlhärtung hat gegenüber der konventionellen thermischen Härtung den Vorteil, dass wesentlich kürzere Härtungszeiten benötigt werden, die Reaktion bei geringeren Temperaturen stattfinden kann und im Falle der Acrylatharze kein Initiator benötigt wird. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Entwicklung von neuartigen Harzsystemen, deren Eigenschaftsprofil geeignet ist für verschiedenartige Anwendungen, z. B. als Maschinengehäuse, Arbeitsplatten im Haushaltsbereich, Schutzbeschichtungen oder für die Inneneinrichtung von Schienenfahrzeugen. Notwendig hierfür sind eine hohe Glasübergangstemperatur, eine hohe Bruchzähigkeit sowie eine hohe Oberflächenhärte des Materials. Insbesondere die Inneneinrichtung von Schienenfahrzeugen unterliegt sehr strengen Normen hinsichtlich des Brandschutzes. Aus diesem Grund lag ein weiteres Augenmerk auf der Optimierung der Flammfestigkeit des Materials. Es wurden Untersuchungen zur Optimierung der Strahlungsdosis und der Initiatorkonzentration durchgeführt. Die Reinharzproben aus epoxidiertem bzw. acryliertem Pflanzenöl waren hierbei allerdings nicht in der Lage, Glasübergangstemperaturen von mindestens 100 °C zu erreichen. Dies ist notwendig, damit das Material beim Kontakt mit z. B. Wasserdampf oder Heizungsluft mechanisch stabil bleibt. Bei den Harzsystemen auf Basis von epoxidiertem Leinöl war eine Steigerung der Glasübergangstemperatur über 100 °C auch nicht durch Zugabe größerer Mengen an petrochemischen Comonomeren möglich, weshalb sie sich als ungeeignet für die angestrebten Anwendungen erwiesen. Bulkproben aus acryliertem Leinöl mit 20 Ma.-% Trimethylolpropantriacrylat und 20 Ma.-% Bisphenol A-Methacrylat erreichten mit einer Strahlungsdosis von 132 kGy hingegen eine Glasübergangstemperatur von 117 °C. Dieses Harz wies allerdings eine sehr hohe Sprödigkeit auf. Aus diesem Grund wurden verschiedene flüssige, wachsartige und thermoplastische Additive zur Steigerung der Bruchzähigkeit untersucht, wobei keines eine signifikante Erhöhung bewirkte. Mehr Erfolg hatte der Einsatz von partikulären Füllstoffen wie Aluminiumhydroxid, phosphorhaltigen Nanopartikeln und Mikrokorund, die in Kombination eine Verbesserung der Bruchzähigkeit auf bis zu K1c = 0,88 MN/m3/2 bewirkten. Die genannten Füllstoffe und phosphorhaltige Flammschutzmittel bewirkten eine Verringerung der Wärmefreisetzung im Brandfall. Allerdings sind die erzielten Werte nicht ausreichend, um die strengen Brandschutzvorschriften im Schienenfahrzeugbereich zu erfüllen. Während Aluminiumhydroxid zudem die Rauchfreisetzung beim Brand deutlich senken konnte, bewirkten sämtliche phosphorhaltigen Flammschutzmittel allesamt eine erhöhte Rauchentwicklung. Bei den phosphorhaltigen Nanopartikeln war hierbei eine direkte Zunahme der Rauchfreisetzung in Abhängigkeit des Phosphorgehalts der Partikel zu beobachten. Die Oberflächenhärte wurde durch alle drei Füllstoffe deutlich erhöht. Der Effekt von Aluminiumhydroxid und phosphorhaltigen Nanopartikeln war dabei über-raschenderweise höher als bei Mikrokorund, obwohl letzterer eine wesentlich höhere Härte aufweist. Fazit: Es ist gelungen elektronenstrahlhärtbare Harzformulierungen mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen auf Basis von acryliertem Leinöl herzustellen, die gute thermomechanische Eigenschaften, eine gute Bruchzähigkeit, eine hohe Flammwidrigkeit sowie eine gute Oberflächenhärte besitzen. Die Untersuchungen zeigten, dass Harze auf Basis von epoxidiertem Leinöl die gewünschten Eigenschaften nicht erreichen konnten. Mit dem Eigenschaftsprofil der Harze ist eine Anwendung als Maschinengehäuse, Arbeitsplatten im Haushaltsbereich oder Schutzbeschichtungen möglich. Anwendungen im Schienenfahrzeugbereich sind aufgrund der nicht ausreichenden Brandeigenschaften allerdings nicht möglich.