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Biobasierte Chitosan-Interpolyelektrolytkomplexe zur Beschichtung und Verklebung von Holzwerkstoffen = Bio-based chitosan interpolyelectrolyte complexes for coating and adhesion of wood-based materials

Münstermann, Nils^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nils Münstermann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Weichold, Oliver Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Albrecht, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09335
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020926/files/1020926.pdf

Einrichtungen

1. Lehr- und Forschungsgebiet Strukturelle Polymerkomposite im Bauwesen und Institut für Baustoffforschung (316520)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bindemittel (frei) ; Chitosan (frei) ; Holzlasur (frei) ; Interpolyelektrolytkomplex (frei) ; Klebstoff (frei) ; adhesive (frei) ; interpolyelectrolyte complex (frei) ; resin (frei) ; wood coating (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Forschung wird Chitosanitaconat, eine biobasierte multifunktionale Lösung, die sowohl die Beschichtung als auch die Verklebung von lignozellulosehaltigen Werkstoffen ermöglicht, eingehend untersucht. Durch die orthogonale Reaktivität der Itaconsäure entsteht zunächst durch Protonierung der Aminogruppen des Chitosans ein wasserlösliches Salz, das anschließend durch eine thermisch initiierte radikalische Polymerisation in einen wasserunlöslichen Interpolyelektrolytkomplex überführt wird. Die wässrigen Chitosanitaconat-Lösungen sind scherverdünnend und thixotrop. Sie lassen sich einfach auftragen und polymerisieren zu einem transparenten, stark haftenden und wasserunlöslichen Film. Bei der Auftragung der wässrigen Chitosanitaconat-Salzlösung auf lignozellulosische Substrate dringt sie etwa 400–1000 µm ein. Im Substrat wechselwirkt das Chitosan und die zweite freie Carboxygruppe der Itaconsäure über Wasserstoffbrückenbindungen mit den Hydroxygruppen der Zellulose. Die vielen kooperativen Effekte führen zu einer starken Adhäsion des Interpolyelektrolytkomplexes auf dem Substrat. Auf der Oberfläche bildet es einen hydrophoben (90° < 𝜃 < 95°) Film, welcher vor UV-bedingtem Vergilben und alltäglichen Verunreinigungen schützt. Gleichzeitig wird die Entflammbarkeit signifikant reduziert. Eine einzelne Applikation senkt die Brenngeschwindigkeit und mehrfach aufgetragen verhindert es das Weiterbrennen vollständig. Holzwerkstoffe und Holz, natürliche Baustoffe mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und guter Ökobilanz, sind anfällig gegenüber Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Verschmutzungen und insbesondere Feuer. Kommerzielle Systeme bieten zwar Schutz und verbinden Holzmaterialen, sind aber meist nicht biologisch abbaubar, enthalten potenziell gesundheitsschädliche Stoffe und erfordern zusätzliche Additive, um flammhemmende Eigenschaften zu gewährleisten. Durch die hohe Adhäsion an lignozellulosischen Substraten kann Chitosanitaconat als Klebstoff für Massivhölzer verwendet werden und erreicht so hohe Festigkeiten, dass das Holz im Zugscherversuch kohäsiv außerhalb der Klebefuge versagt. Bei der Herstellung von Faserplatten mit Chitosanitaconat als Bindemittel erreichen diese Biegefestigkeiten von bis zu 77 N·mm⁻² und übertreffen damit Vollholz (ca. 70 N·mm⁻²) sowie konventionelle OSB-Platten (ca. 25 N·mm⁻²). Damit bietet Chitosanitaconat, durch seine leichte Applizierbarkeit aus einer wässrigen Lösung, eine leistungsfähige und biobasierte Alternative zu konventionellen Beschichtungs- und Bindemittelsystemen und einen konkreten Beitrag zur Nachhaltigkeit im Bauwesen.

This research encompasses a thorough investigation of chitosan itaconate, a bio-based multifunctional solution that enables both the coating and bonding of lignocellulosic materials. The orthogonal reactivity of itaconic acid allows for the protonation of the amino groups of chitosan, which first yields a water-soluble salt that is subsequently converted into a water-insoluble interpolyelectrolyte complex via thermally initiated radical polymerisation. The aqueous chitosan itaconate solutions are shear-thinning and thixotropic. They are easy to apply and polymerize into a transparent, strongly adhesive, and water-insoluble film. The aqueous chitosan itaconate salt solution penetrates approximately 400–1000 µm of lignocellulosic substrates. Within the substrate, chitosan and the second free carboxyl group of itaconic acid interact with the hydroxyl groups of cellulose through hydrogen bonds. These bonds act synergistically, resulting in a strong adhesion of the interpolyelectrolyte complex to the substrate. On lignocellulosic surfaces, the solution forms a hydrophobic (approx. 93°) film, which protects against UV-induced yellowing and everyday contamination, while significantly reducing flammability: a single application decreases the burning rate, and multiple applications completely prevent combustion. Wood-based materials and wood, natural construction materials with excellent mechanical properties and good environmental performance, are susceptible to moisture, UV radiation, contamination, and especially fire. Commercial systems provide protection and bond wood materials, but they are usually not biodegradable, may contain potentially harmful substances, and require additional additives to ensure flame-retardant properties. When used as an adhesive for solid wood, chitosan itaconate achieves high bond strengths, with cohesive failure occurring in the wood rather than in the adhesive joint during tensile shear testing. In the production of fiberboards with chitosan itaconate as binder, bending strengths of up to 77 N·mm⁻² are achieved, surpassing solid wood (approx. 70 N·mm⁻²) as well as conventional OSB boards (approx. 25 N·mm⁻²). Thus, chitosan itaconate, due to its easy applicability from aqueous solution, offers a powerful and bio-based alternative to conventional coating and binder systems and provides a concrete contribution to sustainability in construction.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT031318516

Interne Identnummern
RWTH-2025-09335
Datensatz-ID: 1020926

Beteiligte Länder
Germany