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Biomimetic adhesives from natural polymers

  • Mussel-inspired catechol-containing polymers provide a promising basis for developing strong biogenic adhesives (see chapter 1). In order to develop a biomimetic adhesive, solvent stable laccases were investigated for their application as biochemical catalyst for the functionalization of natural polymers (see chapter 2), such as chitosan and lignin, with catechols. Investigation of the laccase-catalysed C–N bond formation between primary amines and catechols, such as protocatechuic acid (PCA) and dihydrocaffeic acid (DHC), suggest that the reaction is promoted by a low pKa value of the primary amine used and a neutral or mildly acidic reaction pH. Since the pKa of chitosan’s amine groups is below 7, spontaneous reactions with catechols were possible, resulting in a PCA-functionalized chitosan, which achieved a tensile strength of 4.56 MPa ± 0.54 MPa on aluminum surfaces blasted with corundum (see chapter 3). For the functionalization of lignin, which was extracted with the Organosolv (OS) process, a two-step concept was required, where first L-lysine and subsequently DHC and PCA were grafted onto lignin. For DHC-lignin, a tensile strength of 169.3 kPa ± 130.6 kPa was measured (see chapter 4). Since the functionalization and curing processes use naturally occurring substances exclusively and are free of toxic chemicals, novel and sustainable bioadhesives were developed. Moreover, differential scanning calorimetry (DSC) analysis was used to characterize the mussel-inspired chitosan adhesive (see chapter 5). Furthermore, DSC measurements were validated for monitoring biodegradation quantitatively using small sample quantities and simple sample preprocessing. Using only DSC measurements, quantifiable detection of degradation progress was possible, while at the same time qualitative assessment of changes in crystallinity (indicating incomplete biodegradation) was obtained. The implemented method is recommended for the quantification of the biodegradability of the PCA-chitosan adhesive. This work introduces novel bio-based adhesives, as well as a new measuring technique for measuring biodegradability of various material.
  • Von Muscheln inspirierte catecholhaltige Polymere bieten eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung starker biogener Klebstoffe (siehe Kapitel 1). Um einen Klebstoff zu entwickeln, der die Hafteigenschaften der Muschel imitiert, wurden lösungsmittelstabile Laccasen auf ihre Anwendung als biochemische Katalysatoren für die Funktionalisierung natürlicher Polymere (siehe Kapitel 2), wie Chitosan und Lignin, mit Catecholen untersucht. Untersuchungen der Laccase-katalysierten Bildung von C N Bindungen zwischen primären Aminen und Catecholen, wie beispielsweise Protocatechusäure (PCA) und Dihydrokaffeesäure (DHC), haben gezeigt, dass die Reaktion durch einen niedrigen pKa-Wert des verwendeten primären Amins und einen neutralen oder leicht sauren pH-Wert des Reaktionsgemisches gefördert wird. Da der pKa-Wert der Amingruppen von Chitosan unter 7 liegt, waren spontane Reaktionen mit Catecholen möglich, die zu einem PCA-funktionalisierten Chitosan führten, das auf mit Korund gestrahlten Aluminiumoberflächen eine Zugfestigkeit von 4,56 MPa ± 0,54 MPa erreichte (siehe Kapitel 3). Für die Funktionalisierung von Lignin, das im Organosolv (OS)-Prozess extrahiert wurde, war ein zweistufiges Konzept erforderlich, bei dem zunächst L-Lysin und anschließend DHC und PCA an Lignin gebunden wurden. Für DHC-Lignin wurde eine Zugfestigkeit von 169,3 kPa ± 130,6 kPa gemessen (siehe Kapitel 4). Da für die Funktionalisierungs- und Aushärtungsprozesse ausschließlich natürlich vorkommende Substanzen verwendet werden, die frei von toxischen Chemikalien sind, wurden hier neuartige und nachhaltige Bioklebstoffe entwickelt. Die Charakterisierung des muschelinspirierten Chitosan-Klebstoffs erfolgte unter anderem durch die Analyse mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) (siehe Kapitel 5). Darüber hinaus wurde eine DSC-basierte Methode zur quantitativen Überwachung von biologischer Abbaubarkeit, unter Verwendung kleiner Probenmengen und einer einfachen Probenvorbereitung, entwickelt. Nur durch die Verwendung von DSC-Messungen war ein quantifizierbarer Nachweis des Abbaufortschritts möglich, während gleichzeitig eine qualitative Beurteilung von Kristallinitätsänderungen möglich war. Die implementierte DSC Methode könnte für die Quantifizierung der biologischen Abbaubarkeit des hier entwickelten PCA-Chitosan-Klebstoffs verwendet werden. Diese Arbeit stellt neue biobasierte Klebstoffe sowie eine neue Messtechnik zur Messung von biologischer Abbaubarkeit verschiedener Materialien vor.

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Metadaten
Author:Charlotte Capitain
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-63987
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6398
Advisor:Roland Ulber, Nils Tippkötter
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2021/06/08
Year of Publication:2021
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2021/03/22
Date of the Publication (Server):2021/06/08
Number of page:XXIII, 201
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)