Entwicklung von Monomeren aus Vanillin für Polyester sowie biologisch abbaubarer Polyesterwerkstoffe

Abstract

In dieser Dissertation wurden verschiedene Möglichkeiten zu Materialentwicklungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe untersucht. Dabei stand die Nutzung von Holz im Mittelpunkt. Die Arbeit gliedert sich thematisch in drei Abschnitte. Im ersten wird das Potential ligninbasierter Moleküle für Monomersynthesen untersucht. Im zweiten Abschnitt wurden die entwickelten Monomere in Polykondensationen für aliphatischaromatische Polyester eingesetzt. Im letzten Teil wird über die Entwicklung eines vollständig biologisch abbaubaren Wood Plastic Composites (WPCs) auf Basis von Polybutylenadipat gearbeitet. Der erste Teil dieser Arbeit basiert auf der Idee, dass aromatische Basismole küle aus der regenerativen Rohstoffquelle Lignin für die Kunststoff Produktion geeignet sind. Ausgehend von Vanillin, einem aus Lignin isolierbaren Molekül, wurden Monomere entwickelt, die für Polyestersynthesen geeignet sind. Dazu wurden zwei Vanillinmoleküle über die phenolische Gruppe verknüpft. Als Brücke wurden Dialkylether- und Carbonatgruppen eingesetzt. Für den Einsatz in Polykondensationen wurde die Aldehydfunktion oxidiert und in den Methylsäureester überführt. Alternativ konnte Vanillin über die Aldehydfunktion zu Ferulasäure, bzw. deren Derivate reagieren. Im zweiten Abschnitt wurden die entwickelten Moleküle als Monomere in Polykondensationen eingesetzt. Erfolgreich wurden PET, bzw. PBT analoge aliphatischaromatische Polyester durch Umesterung mit Ethylenglycol, bzw. 1,4-Butandiol in der Schmelze synthetisiert. Weiterhin wurden die Monomere dem biologisch abbaubaren aliphatischen Polybutylenadipat als Comonomer zugesetzt. Analog dem Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) sollten durch Zusatz der aromatischen Moleküle die Materialeigenschaften verbessert werden. Die erhaltenden Polyester können alle vollständig auf Basis nachwachsender Rohstoffe synthetisiert werden und genügen damit den Ansprüchen einer nachhaltigen Produktion. Im dritten Abschnitt wurden die Materialeigenschaften des PBAs durch Zusatz von Holzmehl modifiziert. Ziel war die Entwicklung eines biologisch abbaubaren WPCs, welches aus regenerativen Ressourcen aufgebaut werden kann. Zur Verbesserung der Haftung zwischen Holz und Polyester wurden auf Basis des Matrixpolymers Blockcopolymere entwickelt, die als Additiv den WPCs zugesetzt wurden. Die Blockcopolymere wurden umfassend charakterisiert und auf Ihre Wirkung als Haftvermittler hin untersucht. Zum Vergleich wurde Maleinsäureanhydrid gepfropftes PBA ebenfalls als Additiv eingesetzt. Die Wirkung als Haftvermittler wurde durch Materialtests der WPCs untersucht. Vorwiegend durch Maleinsäure gepfropftes PBA konnte eine Materialverbesserung der WPCs erzielt werden.

In this thesis various possibilities for development of materials based on renewable feedstocks have been investigated. The main focus was put on the use of wood. The thesis is divided into three thematic parts. In part one, the potential of the lignin derived molecule vanillin was studied and developed for the use in polycondensation reactions. In the next part, the developed monomers were used for synthesis of aliphatic aromatic polyesters. Finally fully biodegradable wood plastic composites (WPCs) based on polybutylene adipate are presented. The first part of this work is based on the idea that aromatic bulk chemicals isolable from the renewable basis lignin are useful resources for plastic feedstock. Starting from vanillin, monomers have been developed that are suitable for polyester synthesis. Two vanillin molecules were thus linked at the phenolic groups. As links, dialkyl ethers or carbonate were introduced. For use in polyester condensation reactions, the aldehyde groups were subsequently oxidized and converted into methyl ester moieties. In addition it was shown that vanillin would react at the aldehyde group to ferulic acid or their derivatives. Monomer syntheses were optimized at 50 g level. The second part concerns the melt condensation reactions of the monomers prepared. Thus aliphatic aromatic polyesters were obtained by transesterfication of the ester with ethylene glycol or 1,4-butanediol. The aim was thus achieved of synthesizing polyesters analogous to PET and PBT which can be obtained entirely from renewable raw materials. Analogous to polybutylene adipate terephthalate (PBAT), these aromatic monomers were further utilized as comonomer in polybutylene adipate. This would improve the material properties of the aliphatic polyester. Advantageous over terephthalic acid in PBAT is that these aromatic monomers are renewable raw materials. In the last part material properties of polybutylene adipate are reported, which were modified by addition of wood flour. The aim was to develop a fully biodegradable WPC from renewable resources. To improve the adhesion between wood and polyester, additives based on the matrix polymer were developed. By transesterfication of PBA with a PEG 600 block, copolymers were synthesized and extensively characterized. Furthermore, PBA was grafted with maleic acid anhydride. Both kinds of copolymers were used in WPCs and sceened for their ability to act as coupling agent in the compounded WPC. Particulary the use of maleic grafted PBA could improve the material properties of the PBA based WPCs.