Ziel des Vorhabens war die Erforschung von Grundlagen für ein Verfahren zur Herstellung neuartiger Polymere mittels chemischer Vernetzungen von globulären Proteinen (Kaseine bzw. Rapsproteine) und Polysacchariden mit kristallinen Molekülbereichen (Xylane aus Haferspelzen und Maisspindeln). Die chemische Vernetzung sollte mit polaren Doppelbindungssystemen in Form von isolierten (Glutardialdehyd), konjugierten (Maleinsäurediethylester, Maleinsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid) und kumulierten (Diphenylmethandiisocyanat) Dicarbonylverbindungen erfolgen. Im Laufe des Projekts wurden die Bedingungen für die Vorbehandlung der Rohstoffe sowie für eine stabile und reproduzierbare Vernetzung (Mischungsverhältnisse zwischen den Komponenten, Reihenfolge der Zugabe der Edukte, Temperatur, pH-Wert, Lösungsmittelsysteme) ermittelt. Die Rohstoffe und Reaktionsprodukte wurden charakterisiert und die dafür notwendigen Methoden entwickelt bzw. angepasst. Mit den ermittelten analytischen Daten - u.a. Elementaranalyse, UV-, IR- und13-C-NMR-Spektren - wird belegt, dass zunächst ablaufende Additionsschritte (in der Regel) ihre Fortsetzung in Kondensationsreaktionen finden. Beider Vernetzung mit Glutardialdehyd führt die Addition in einem ersten Schritt zur Bildung von Halbacetal-Funktionen. In einem zweiten Additionsschritt greifen die Amino-Reste des Proteins nucleophil die zweite Carbonylgruppe des Glutardialdehyds unter Bildung einer Halbaminalfunktion an. Im Zuge nachfolgender Kondensationsschritte entstehen stabilere Produkte mit Enol- bzw. Azomethinfunktionen. Konkurrierende Produkte können das Resultat von Vernetzungen Xylan-Xylan bzw. Protein-Protein sein. Die Vernetzung mit Hilfe von Methylendiphenyldiisocyanat erfolgte in Gegenwart von Dimethylsulfoxid, Tetrahydrofuran oder Petrolether. Längere Reaktionszeiten hatten Einfluss auf die Struktur der Produkte. Die IR-Spektren der mit Maleinsäure-Diethylester vernetzten Proben weisen auf die Präsenz von geminalen Estern auf der Xylanseite und aminierten Estern auf der Kaseinseite hin. Eine ähnliche Esterbildung war bei den mit Maleinsäure- oder Bernsteinsäureanhydrid vernetzten Proben zu verzeichnen. Hier hat sich eine Vernetzung im Trockenen oder in organischen Medien als günstig erwiesen. Alternativ zu der Vernetzung mit chemischen Vernetzungsmitteln wurde eine Vernetzung mittels Reaktivextrusion oder Thermo-Druck-Strukturierung erprobt. Mit diesen Verfahren konnten Materialien mit Duroplaste-Eigenschaften hergestellt werden.
Im Vergleich zu den Rohstoffen zeigen die Reaktionsprodukte im Allgemeinen eine niedrigere Löslichkeit in den getesteten Lösungsmitteln, ebenso andere thermische Eigenschaften. Ausgehend von den durchgeführten Untersuchungen der funktionellen Eigenschaften, scheinen die Herstellung von Formkörpern und Anwendungen als Adsorbentien oder Hydrogels die wichtigsten Einsatzfelder für die neuen Polymere zu sein.
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Dr. Rafael Valbuena
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