Inhalt dieser Arbeit ist die Modifikation von biobasierten Matrixmaterialien, wie Cellulosederivaten mittels technisch skalierbarer Methoden, um das Potential modifizierten Matrixmaterialien für den Einsatz in grünen Compositen zu eruieren. Besonderes Augenmerk wurde auf die Faser-Matrixhaftung gelegt. Hier bietet die Modifikation des durchschnittlichen Substitutionsgrades (DS) von Celluloseestern großes Potential für eine bessere Faser- Matrixhaftung. So können sich bei verringertem DS zusätzliche Wasserstoffbrückenbindungen zu Naturfasern ausbilden, was zu einer besseren Haftung der beiden Phasen führen kann. Es wurden verschiedene Synthesewege genutzt um den DS gezielt zu variieren. Der Einfluss des DS verschiedener Cellulosederivate auf die thermischen Eigenschaften wurde mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und Thermogravimetrischer Analyse (TGA) untersucht. Aussagen über strukturelle Veränderungen erfolgten über spektroskopische und chromatografische Methoden und über die Elementaranalyse. Ausgewählte Cellulosederivate wurden zu Prüfkörpern verarbeitet und Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Aus den gewonnen Ergebnissen in Zusammenhang mit den Verarbeitungseigenschaften wurden geeignete Materialien ausgewählt, um die Faser-Matrixhaftung mit Naturfasern zu untersuchen.:1. Einleitung 1 2. Theoretische Grundlagen 3 2.1 Verbundwerkstoffe 3 2.1.1 Definition und Eigenschaften 3 2.1.2 Fasern 3 2.1.3 Matrix 6 2.1.4 Faser-Matrixhaftung 7 2.1.5 Bestimmung der Faser-Matrixhaftung 8 2.2 Biocomposite 9 2.2.1 Biopolymere 9 2.2.2 Biopolymere als Matrix 10 2.2.2.1 Biopolymere auf Basis von Cellulose 10 2.2.2.2 Biopolymere auf Basis von Lignin 14 2.2.3 Naturfasern 19 2.2.4 Beeinflussung der Faser-Matrixhaftung 20 2.2.4.1 Fasermodifikationen 20 2.2.4.2 Matrixmodifikationen 23 2.3 Einflussmöglichkeiten auf die Verarbeitung von Polymeren 25 2.3.1 Innere Weichmachung 26 2.3.2 Äußere Weichmachung und weitere Additive 29 2.4 Acylierungsreaktionen 30 2.4.1 Acylierungsreaktionen an Cellulose 30 2.4.2 Acylierungsreaktionen am Lignin 33 3. Materialien und Methoden 34 3.1 Chemikalien 34 3.2 Synthesen und Modifikation der Matrixmaterialen 35 3.2.1 Verseifung von CAB 35 3.2.2 Synthese von Ligninacetat 36 3.2.3 Synthese von Celluloseoctanoat 36 3.2.4 Acylierung der Octanoate 37 3.2.4.1 Synthese von Celluloseacetooctanoat 37 3.2.4.2 Synthese von Cellulosepropiooctanoat 37 3.3 Strukturelle Untersuchungen 38 3.3.1 GC-FID 38 3.3.1.1 DS-Ermittlung 38 3.3.1.2 Ermittlung des Acetylgehaltes von Ligninacetat 40 3.3.2 Bestimmung der gesamten Hydroxylgruppen des Ligninacetates 41 3.3.3 Elementaranalyse 41 3.3.4 13C Festkörper-NMR 42 3.3.5 Ramanspektroskopie 43 3.3.6 FT-IR-Spektroskopie 43 3.3.7 XRD 43 3.3.8 Löseversuche 44 3.3.9 Pyrolyse-GC-MS 44 3.4 Thermische Analysen 45 3.4.1 DSC 45 3.4.2 Thermogravimetrische Untersuchungen (TGA) 46 3.4.3 Schmelzversuche 47 3.5 Verarbeitung der Polymere 47 3.5.1 Mischen der Polymere 47 3.5.2 Beimischung der Fasern 47 3.5.3 Herstellung von Zugprüfkörpern 47 3.6 Untersuchung der Prüfkörper 48 3.6.1 Zugprüfung 48 3.6.2 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) 48 3.6.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 48 4. Ergebnisse und Diskussion 49 4.1 Modifizierte konventionelle Celluloseester 49 4.1.1 Auswahl der Modifizierungsart und des Celluloseesters 49 4.1.2 Modifizierung 49 4.1.3 Charakterisierung 49 4.1.3.1 Einfluss der Verseifung auf die DS-Werte der Celluloseester 49 4.1.3.2 Einfluss des DS auf die Löslichkeit der verseiften Ester 54 4.1.3.3 Einfluss des DS auf die thermischen Eigenschaften 55 4.1.3.4 Einfluss der Verseifung auf die Kristallinität von CABs 58 4.2 Synthetisierte Celluloseester mit langkettigen Alkylresten 60 4.2.1 Auswahl der Syntheseart und der herzustellenden Celluloseester 60 4.2.2 Celluloseoctanoat 61 4.2.2.1 Einfluss der Reaktionszeit auf den DS und die molekulare Struktur von Celluloseoctanoat 61 4.2.2.2 Einfluss des DS auf die thermischen Eigenschaften von Celluloseoctanoaten65 4.2.3 Mischester auf der Basis von Celluloseoctanoat 69 4.2.3.1 Chemische Eigenschaften 69 4.2.3.2 Einfluss auf die thermischen Eigenschaften von Mischestern auf der Basis von Celluloseoctanoat 74 4.3 Synthese von Ligninacetat 87 4.3.1 Auswahl des Lignins und der Syntheseart 87 4.3.2 Modifizierung 87 4.3.2.1 Chemische Eigenschaften 87 4.3.2.2 Thermische Eigenschaften 90 4.4 Mischungen von Ligninacetat und CAB 91 4.4.1 Auswahl der Polymere 91 4.4.2 Charakterisierung 92 4.4.3 Polymerkompatibilität der Komponenten 93 4.5 Verwendung der Biopolymere im Spritzguss 94 4.5.1 Prüfkörper aus verseiftem CAB 95 4.5.1.1 Verarbeitungseigenschaften 95 4.5.1.2 Festigkeiten 95 4.5.2 Mischungen von CAB mit Ligninacetat 97 4.5.2.1 Verarbeitungseigenschaften 97 4.5.2.2 Festigkeiten 98 4.5.2.3 Einfluss des Mischungsverhältnisses auf die Glasübergangstemperatur 99 4.5.3 Äußere Weichmacher und weitere Additive 102 4.5.3.1 Verarbeitungseigenschaften von CAB mit TBC 102 4.5.3.2 Festigkeiten von CAB mit TBC 103 4.5.3.3 Thermische Eigenschaften von CAB mit TBC 107 4.5.3.4 Verarbeitungseigenschaften von CAB mit Harnstoff und Montmorillonit 109 4.5.3.5 Festigkeiten von CAB mit Harnstoff und Montmorillonit 110 4.5.3.6 Thermische Eigenschaften von CAB mit Harnstoff und Montmorillonit 113 4.5.3.7 Verarbeitungseigenschaften von CAB mit Stabaxol und Inositol 114 4.5.3.8 Festigkeiten von CAB mit Stabaxol und Inositol 115 4.5.3.9 Thermische Eigenschaften von CAB mit Stabaxol und Inositol 117 4.6 Verwendung der Biopolymere für Biocomposite 119 4.6.1 Verarbeitungseigenschaften 119 4.6.2 Festigkeiten 120 4.6.3 Bruchmorphologie 121 5. Zusammenfassung und Ausblick 123 6. Anhang 127

För att skapa ett hållbart samhälle måste material av fossilt ursprung ersättas med förnyelsebara och miljövänliga alternativ. Ett sådant alternativ är cellulosa från vedfibrer, som har stor potential att kunna ersätta många fossila material i framtiden. För att kunna uppnå detta behöver cellulosans egenskaper först modifieras för att passa olika ändamål och helt kunna ersätta fossila alternativ. I detta kandidatexamensprojekt modifierades blekt sulfatmassa, oblekt sulfatmassa, dissolvingmassa och kemitermomekanisk massa (CTMP) genom att introducera kvartära aminer med hjälp av två olika reagens, 2,3-epoxypropyltrimetylammoniumklorid (EPTMAC) och 3-kloro-2-hydroxypropyltrimetylammoniumklorid (CHPTAC). Under projektet undersöktes reagensens reaktionseffektivitet för de olika massorna genom att mäta substitutionsgraden (DS), hur förbehandling i form av torkning och malning påverkar modifieringsreaktionen och den modifierade massans egenskaper, utgångsmassornas svällningsegenskaper, samt mekaniska egenskaper som e-modul, brottstyrka och brottöjning hos pappersark tillverkade av modifierad massa. Resultaten från studien visar att det reaktionseffektivaste reagenset var CHPTAC som gav upphov till en genomgående högre effektivitet än samtliga modifieringar med EPTMAC, men att effektiviteten för respektive reagens är mindre beroende av pappersmassans komposition. Modifiering resulterade i att alla massor fick högre styrka i form av e-modul, brottstyrka och brottöjning. De mekaniska egenskaperna följde inte samma trend som substitutionsgraderna, vilket var oväntat. För att kunna dra mer pålitliga slutsatser skulle ytterligare studier behöva genomföras, inklusive upprepade modifieringar med varierande mängd reagens, mekaniska tester samt analys av ytterligare egenskaper som fibrernas ytor, kristallstruktur och längden på cellulosafibrerna.