Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

ERA-WoodWisdom: Holz-basierte Aerogele (AEROWOOD)

Anschrift
Universität Hamburg - Fakultät für Mathematik, Informatik u. Naturwissenschaften - Fachbereich Biologie - Zentrum Holzwirtschaft
21031 Hamburg
Leuschnerstr. 91
Kontakt
Prof. Dr. Bodo Saake
Tel: +49 40 73962-510
E-Mail: bodo.saake@uni-hamburg.de
FKZ
22002214
Anfang
01.05.2014
Ende
30.06.2017
Aufgabenbeschreibung
Im Projekt Aerowood sollte die Nutzung aller Holzkomponenten - Cellulose, Hemicellulosen und Lignin - für die Erzeugung von Aerogelen für hochwertige Anwendungen z.B. im Bereich Pharma und Medizin oder für technische Produkte wie Isoliermaterialien und Displays ermöglicht werden. Im Teilprojekt der Universität Hamburg sollten Cellulosen und Holz für die Projektpartner bereitgestellt und umfassend charakterisiert werden. Zusätzlich sollten Xylane aus Laubholz und Laubholz-Zellstoff, sowie als Referenz aus Haferspelzen, isoliert und eingesetzt werden. An den Xylanen sollte die Derivatisierung mit cyclischen organischen Carbonaten als Alternative zu den technisch üblichen Epoxiden entwickelt werden. Cyclische Carbonate können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden und sind zumeist toxikologisch unbedenklich, während Epoxide, sehr toxisch und explosiv sind. Die Funktionalisierung der Xylane sollte nachfolgend die Erzeugung von Hydro- und Aerogelen ermöglichen. Da für die Charakterisierung der Xylane und Xylanderivate nur begrenzte analytische Methoden zur Verfügung stehen, sollten hier neue Methoden zur Charakterisierung der Substitution und Substitutionsmuster entwickelt werden, um die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der neuartigen Produkte zu ermitteln.
Ergebnisdarstellung
Für die Charakterisierung der Ausgangsxylane und der Xylanderivate wurden neue Methoden entwickelt. Kernstück war die milde Hydrolyse der Polysaccharide gefolgt von einer reduktiven Aminierung der reduzierenden Endgruppen. Für Xylane und Biomasse konnte so durch HPAEC-UV Messung eine verbesserte Quantifizierung aller Polysaccharidkomponenten erreicht werden. Für Xylanderivate wurde durch RPHPLC mit Fluoreszenz-Detektion eine Quantifizierung aller substituierten Bausteine ermöglicht. Für unlösliche Produkte und Gele wurde die Technik der HR-MAS-NMR erstmals für Xylane zum Einsatz gebracht. Für die unterschiedlichen Xylane wurde die Hydroxyalkylierung mit Propylencarbonat (HP-Xylan) und Vinylethylencarbonat (HVE-Xylan) entwickelt. HP-Xylane konnten sowohl homogen in DMSO als auch heterogen ohne Lösungsmittel erzeugt werden. Für alle Xylantypen und Derivatisierungen wurden gute Umsetzungsraten erzielt. Die homogen erzeugten Produkte zeigen eine erhöhte Wasserlöslichkeit und eine mit der Substitution steigende intrinsische Viskosität. Die heterogene Synthese liefert Proben, die eine verstärkte Homopolymerisation der Seitenketten aufweisen und unlöslich aber gut quellbar sind. Sie weisen daher für Gelsysteme ganz spezielle Eigenschaften auf. HVE-Xylan wurde in homogener Synthese erzeugt. Die neu eingeführten Vinylgruppen ermöglichen Quervernetzungen durch radikalisch induzierte Reaktionen. Durch rheologische Messungen konnte die Gelbildung während der Vernetzung systematisch verfolgt und nachgewiesen werden. Durch Lösungsmittelaustausch und überkritische CO2 Trocknung konnten so erstmals xylanbasierte Aerogele ohne Zusatz weiterer hochmolekularer Komponenten oder verbrückender Co-Substanzen erzeugt werden. Der Lösungsmittelaustausch der Gele von DMSO gegen Wasser (für Gefriertrocknung) und Ethanol (für superkritische Trocknung) sowie die nachfolgende superkritische Trocknung werden gegenwärtig weiter optimiert.

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