Sustainable functionalization of lignin for the production of biocolloids

Abstract

Fossile gegen erneuerbare Rohstoffe zu ersetzen war schon immer eine herausfordernde Aufgabenstellung in der Menschheitsgeschichte. Lignocellulose, bestehend aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin stellt das strukturelle Grundgerüst von vaskulären Pflanzen dar und besitzt zudem Kohlenstoff in großer Menge. Deswegen ist Lignocellulose ideal für den Einsatz als erneuerbare Ressource geeignet. Besonders das Biopolymer Lignin ist sehr reich an aromatischen Einheiten, wodurch die Umsetzung zu höherwertigen Produkten erleichtert wird.Für diesen Zweck sind Acetylierung und Esterifizierung häufig genutzte Methoden. Zum heutigen Stand der Technik werden jedoch die dafür genutzten Prozesse unter harschen Bedingungen wie hohe Temperaturen und Drücke sowie mit gefährlichen Chemikalien durchgeführt. Um diese Nachteile für die Acetylierung zu überwinden, wurden Feststoff-Feststoff Reaktionen in einer Kugelmühle durchgeführt und die dazugehörigen Parameter (Feuchtigkeitsgehalt, Reaktionszeit und Menge an N-Acetylimidazol), bezogen auf den Substitutionsgrad, optimiert. Für die Esterifizierung wurden in situ Synthesen mit unterschiedlichen Anhydriden und Imidazol durchgeführt, sodass N-Acylimidazole und anschließend Ligninester mit verschiedenen Größen und Längen erhalten werden konnten.Des Weiteren wurden Nanopartikel von einer Reihe ausgewählter Ligninester hergestellt und der Einfluss der funktionellen Gruppen sowie des Substitutionsgrades auf die Benetzbarkeit, Oberflächenspannung, Morphologie, kolloidale Stabilität und Größe untersucht.

Replacing the fossil by a renewable feedstock has been a highly challenging task in human history. Lignocellulose, consisting of cellulose, hemicellulose and lignin, provides the structural framework of vascular plants and offers an abundant source of carbon. Therefore, lignocellulose is suitable for its application as renewable resource. In particular, the biopolymer lignin is very rich in aromatic units, which facilitates synthesis into tailored and value-added products.For this purpose acetylation and esterification are commonly used methods, but state of the art processes apply harsh conditions. Besides high pressures and temperatures, hazardous chemicals are used as well. To overcome these drawbacks for the acetylation, solid-solid reactions of lignin and N-acetylimidazole were performed in a ball mill and the corresponding parameters (moisture content, reaction time, amount of N-acetylimidazole) were optimized referred to the degree of substitution. For the esterification, solvent-free in situ syntheses with varying anhydrides and imidazole were carried out in order to obtain N-acylimidazoles and subsequently lignin esters with varying size and length.Moreover, nanoparticles were prepared for a selected number of lignin esters and the influence of the functional group as well as the degree of substitution on wettability, surface tension, morphology, colloidal stability and size was studied.