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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Haftvermittlersystemen für eine verbesserte Faser-Matrix-Adhäsion in Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen. Dabei wird zunächst die Charakterisierung der zu modifizierenden Rotbuchenfurnieroberfläche sowie die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen ohne Haftvermittler vorgestellt. Um die Kompatibilität der beiden Werkstoff zu erhöhen, wurden verschiedene Konzepte zur Haftförderung entwickelt und appliziert. Der Beschichtungsprozess von unterschiedlichen Formulierung wie Poly(N-vinylformamid-co-vinylamin) und strukturell verschiedenen Maleinsäureanhydridcopolymeren auf dem Holzfurnier wurde systematisch untersucht. Die Charakterisierung der beschichteten Rotbuchenfurnieroberfläche erfolgte unter anderen mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und elektronen-mikroskopischen Aufnahmen. Die Anwendung der haftvermittelnden Polymere auf dem Holzwerkstoff ermöglicht die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen mit erhöhten mechanischen Kennwerten wie beispielsweise dem E-Modul und der Zugfestigkeit. Das Konzept der simultanen Zwillingspolymerisation wurde ebenfalls zur Haftförderung zwischen den Ausgangsmaterialien eingesetzt. Dafür wurden verschiedene neue, funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert und anschließend deren Polymerisationsverhalten und die resultierenden Hybridmaterialien charakterisiert. Durch Applikation von verschiedenen Zwillingsmonomermischungen auf der Holzfurnieroberflächen konnten in Kombination mit Biopolyethylen kompatible und stabile Verbundwerkstoffe mit erhöhten mechanischen Eigenschaften erzielt werden.

Maßgeschneiderte Kunststoffe sind heute extrem vielseitig einsetzbar, ihre Anwendungen reichen von Lebensmittelverpackungen, über dünne feuerfeste Dämmplatten und körperresorbierbare Nahtmaterialien bis hin zu Motorenaufhängungen im Automobil. Um diese Bandbreite an Anwendungen zu erreichen, werden Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen, aber auch sehr spezifischen Eigenschaften benötigt. Ermöglicht wird diese Einstellung von Eigenschaften durch das Beimischen von Additiven und Füllstoffen. Im Laufe der letzten Jahrzehnte kam es seitens der Verbraucher zu einem deutlich gesteigerten Interesse an Biopolymeren, weshalb zunehmend auch natürliche und biologisch abbaubare Zuschlagstoffe in den Fokus geraten. Auch die Umweltfreundlichkeit der jeweiligen Herstellungsmethoden für Additive, sowie des gesamten Herstellungsprozesses sind zu entscheidenden Aspekten geworden. Obgleich das Thema in der Forschung teilweise bereits seit den 1990ger Jahren präsent ist, rückt die Thematik in den letzten Jahren weiter in den Vordergrund, vor allem auch durch die zunehmende Reife an Biokunststoffen. Der Überblicksartikel beleuchtet kurz den aktuellen Stand und neuere Entwicklungen.

Eine Welt ohne Kunststoffe ist heutzutage nahezu unvorstellbar. Ihre vielseitigen Eigenschaften tragen dazu bei, dass Kunststoffe nicht nur in der Verpackungsindustrie, sondern auch in vielen anderen Bereichen individuell eingesetzt werden können. Daraus resultierend nimmt der Bedarf an Kunststoffen jährlich zu. Auch der Biokunststoffmarkt steigt seit einigen Jahren immer weiter. Reine Biopolymere haben im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen eher schlechte Barriereeigenschaften gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf. Daher können diese aufgrund ihrer Eigenschaften vor allem im Lebensmittelbereich meist nicht mit anderen Polymeren mithalten. Demzufolge wird versucht Biokunststoffe mit Beschichtungen zu kombinieren, um die Einsatzmöglichkeiten auszudehnen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage ob es möglich ist, eine Kombination aus Biopolymer und Beschichtung zu finden, welche einem sauerstoffempfindlichen Lebensmittel Schutz bieten würde. Dazu wurden zwei unterschiedliche Beschichtungsmöglichkeiten verwendet. Die Beschichtungen wurden anschließend analysiert und teilweise bezüglich ihrer Sauerstoffpermeabilität gemessen. Aus den ausgewerteten Ergebnissen und den daraus entstandenen Erkenntnissen wurden weitere Alternativen theoretisch angeführt. Abschließend wurden alle Resultate zusammengefasst und diskutiert. Today, a world without plastics is almost unimaginable. Their versatile properties contribute to the fact that plastics can be used individually not only in the packaging industry but also in many other areas. As a result, the demand for plastics is increasing every year. The bioplastics market has also been growing steadily for several years. In contrast to conventional plastics, pure biopolymers have rather poor barrier properties against oxygen and water vapour. Therefore, due to their properties, especially in the food sector, they are usually not able to compete with other polymers. Consequently, attempts are being made to combine bioplastics with coatings in order to expand the range of possible applications. The aim was to answer the question whether it is possible to find a combination of biopolymer and coating that would offer protection to an oxygen-sensitive food. Two different coating options were used for this thesis. The coatings were then analysed and partially measured with respect to their oxygen permeability. Based on the evaluated results and the resulting findings, further alternatives were presented theoretically. Concluding, all results were summarized and discussed.

Kunststoffe sind in der Verpackungsbranche aber auch in vielen anderen Bereichen, nicht mehr weg zu denken. Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften sind sie individuell einsetzbar. Der Verbrauch an Kunststoffen steigt seit einigen Jahren kontinuierlich an, dabei haben auch Biokunststoffe vermehrte Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Als pures Material können die Eigenschaften von Biopolymere in manchen Fällen nicht mit denen der konventionellen Polymere mithalten. Um das Potential der Biokunststoffe auszubauen ist man gezwungen, die Beschaffenheit der Materialien mit Beschichtungen zu verbessern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einigen aktuell vorhandenen Prozessen, um die Eigenschaften von Polymeren zu verändern. Ziel war es dabei einen Überblick an Beschichtungsmöglichkeiten für Biopolymere zu geben. Dabei wurden häufig eingesetzte Methoden aber auch potentielle Alternativen betrachtet. Analysiert wurden dabei die unterschiedlichen Prozesse der Beschichtung. Hierbei wurden die verschiedenen Rohstoffe, die zur Herstellung von Beschichtungsmitteln eingesetzt werden, betrachtet. In weiterer Folge wurden die möglichen Vorbehandlungen dargelegt. Abschließend wurden die eigentlichen Beschichtungsprozesse behandelt. Plastics have become indispensable in the packaging industry, but also in many other areas. Due to their versatile properties they can be used individually. The consumption of plastics has been increasing continuously for several years. Bioplastics have also attracted increasing attention. As a pure material, the properties of biopolymers cannot compete with those of conventional polymers sometimes. In order to develop the potential of bioplastics, it is necessary to improve the properties of materials with coatings. This thesis deals with some currently existing processes to change the properties of polymers. The aim was to give an overview of coating possibilities for biopolymers. Frequently used methods but also potential alternatives were considered. The different processes of coating were analysed. The different raw materials used for the production of coating agents were considered. In the following, the possible pre-treatments were presented. Finally, the actual coating processes were discussed.

In addition to the so-called small molecule drugs, proteins and peptides are of increasing interest for pharmacotherapy, due to several advantageous properties. In general, those compounds are administered parenterally. However, non-invasive routes of administration represent a great part of research. Amongst others is the pulmonary application of proteins and peptides for local delivery in the case of pulmonary diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis, where the alveolar epithelium is affected. To ensure an intracellular delivery, nanoparticles in a size range of 150 nm were prepared via charge-mediated coacervation, characterized for their physicochemical properties and loaded with several model-proteins and -peptides. The material used for nanoparticle preparation was chosen to be positively and negatively charged starch derivatives, which were synthesized from potato starch. Although nanoparticles in that size range are known to show an increased cell uptake, they do not show a high deposition in the deep lung. Thus, an advanced carrier system consisting of a fast dissolving microparticle matrix with embedded starch nanoparticles was developed and characterized. Due to its aerodynamic properties, that carrier system was able to deposit a high fraction of the applied dose in the deep lung (~50%), while at the same time demonstrating (in in vitro models) the ability to facilitate uptake of starch nanoparticles into cells of the alveolar epithelium after fast dissolution of the microparticle matrix. Aufgrund zahlreicher Vorteile, stellen Proteine und Peptide eine vielversprechende Erweiterung der Pharmakotherapie dar, weg von sogenannten small molecule drugs. Die nicht-invasive Applikation solcher Wirkstoffe steht heutzutage im Fokus der Forschung. Unter anderem zählt hierzu die pulmonale Applikation von Proteinen und Peptiden für die lokale Gabe bei bestimmten Lungenerkrankungen wie z.B. der idiopathischen pulmonalen Fibrose, bei der vor allem das Alveolarepithel betroffen ist. Um ein intrazelluläres Delivery zu gewährleisten wurden Nanopartikel durch ladungsvermittelte Koazervation im wässrigen Medium mit einem Größenbereich um die 150 nm hergestellt und charakterisiert. Im Anschluss wurden die Nanopartikel mit verschiedenen Modell-Proteinen und -Peptiden beladen. Das Material für die Nanopartikel bestand dabei aus negativ und positiv geladenen Stärkederivaten, welche aus Kartoffelstärke synthetisiert wurden. Da Nanopartikel in diesem Größenbereich zwar eine Aufnahme in die Zelle erleichtern, allerdings keine hohe Depositionsrate in der tiefen Lunge erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezielles Drug Delivery System, bestehend aus in einer sich schnell auflösenden Mikropartikel Matrix mit eingebetteten Nanopartikeln, entwickelt und charakterisiert. Durch seine aerodynamischen Eigenschaften ist das Drug Delivery System fähig einen Großteil der applizierten Dosis in der tiefen Lunge zu deponieren (~50%), als auch, nach der schnellen Auflösung der Mikropartikel Matrix, die Aufnahme der Nanopartikel in das Lungenepithel (in vitro) zu gewährleisten.

Ill., graph. Darst.

Das Schäumen von Biopolymeren mit zwei verschiedenen Verfahren wird unter Verwendung von verdichtetem \(CO_{2}\) untersucht. Die erste Prozedur zum Schäumen besteht aus der Pulverisierung der Biopolymere, Verkapselung eines Treibmittels und Schaumbildung. Pulverisierung und Verkapselung erfolgen mit dem PGSS-Verfahren. Die Polymere werden zunächst getrennt voneinander versprüht, um Prozessparameter für die Erzeugung rieselfähiger Pulver zu bestimmen. Die Erzeugung von Partikelkompositen, bei denen Wasser eingekapselt wird, erfordert angepasste Prozessparameter. In der zweiten Prozedur, dem Direktschäumverfahren, wird Polymergranulat in Formwerkzeuge gegeben und mit verdichtetem \(CO_{2}\) gesättigt. Bei Entspannung werden stabile Schaumformteile erzeugt. Das PGSS-Verfahren liefert wichtige Erkenntnisse über das Verhalten der Biopolymere beim Versprühen mit Wasser. Das Direktschäumverfahren erweist sich als verfahrenstechnisch leichter handhabbar und liefert in einem einzigen Schritt Schaumformteile.

The material class of biopolymers attracts increasing attention and is considered as a promising development in the plastics industry. In particular, the degradable polymers play an important role due to their environmentally friendly properties and the wide range of applications for which they can be deployed for. These range from biodegradable packaging to biomedical devices. Polyesteramides belong to the class of biopolymers and combine the different properties of amides and esters. The ester and amide amount in the polyesteramides as well as their properties can be influenced and controlled chemically during their synthesis. Especially for biomedical applications polyesteramides are considered to be an important material. As they are surface eroding polymers, they are not causing a local in vivo acidity during their degradation and hence are, compared to other polymers which are used for such devices, avoiding inflammatory responses of the body. In this work the synthesis of a polyesteramides with good thermal, mechanical and processing properties, by using reactive extrusion, is being developed. The focus thereby lies on the synthesis of thermoplastic polyesteramides. These are mainly produced by batch synthesis and could not achieve an importance on the market up to now. In literature examples for the preparation of polyesteramides on a twin-screw extruder using the monomers epsilon-caprolactam and epsilon-caprolactone were reported, but this process has not achieved any industrial relevance so far. In this work a new synthesis approach for the continuous synthesis of polyesteramides is presented, which is based on the anionic ring opening polymerization of epsilon-caprolactam in the melt of commercially available polyester-polycaprolactone. The amide fragments are incorporated into the polyester via a chain transfer reaction during polymerization, which leads to polyesteramides with blocky nature. As the melt viscosity before and after the polymerization reaction, is comparable, the process design can easily be simplified, which allows an easier scale-up. The first part of this work is focused on the chemical development of the reaction and its evaluation. Furthermore, the requirements for the synthesis on a twin-screw extruder as well as the required properties of the extrudate and the polymer for such a processing are defined. To assess and optimize the synthesis the reaction was performed on a twin-screw microcompounder in batches. The influence of the chemicals and how to conduct the process, especially regarding temperature and reaction progress are studied. The characterization of the resulting polymers allowed their subsequent evaluation, and thus the assessment and evaluation of the chemical reaction and the process. At reaction temperatures of 180 °C and residence times of ten minutes polyesteramides with blocky structure were synthesized at high conversion rates. For one of the studied mixtures the synthesis was carried out continuously on a laboratory extruder with a screw diameter of 16 mm and a L/D=25. The focus lay on the development of the process control as well as the screw design. Calculations to determine the residence time of the polymer using a simulation program were performed in order to avoid time-consuming experiments with „trial-and-error“ principle. After optimization and configuration of the screw it was possible to transfer the synthesis of the mixture synthesized in the microcompounder to a laboratory extruder process resulting in comparable analytical results. The work contributes to the continuous synthesis of polyesteramides by reactive extrusion. Furthermore it points out that the material class of biopolymers and in particular of polyesteramides still offers a great research potential.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Das Schäumen von Biopolymeren mit zwei verschiedenen Verfahren wird unter Verwendung von verdichtetem CO2 untersucht. Die erste Prozedur zum Schäumen besteht aus der Pulverisierung der Biopolymere, Verkapselung eines Treibmittels und Schaumbildung. Pulverisierung und Verkapselung erfolgen mit dem PGSS-Verfahren. Die Polymere werden zunächst getrennt voneinander versprüht, um Prozessparameter für die Erzeugung rieselfähiger Pulver zu bestimmen. Die Erzeugung von Partikelkompositen, bei denen Wasser eingekapselt wird, erfordert angepasste Prozessparameter. In der zweiten Prozedur, dem Direktschäumverfahren, wird Polymergranulat in Formwerkzeuge gegeben und mit verdichtetem CO2 gesättigt. Bei Entspannung werden stabile Schaumformteile erzeugt. Das PGSS-Verfahren liefert wichtige Erkenntnisse über das Verhalten der Biopolymere beim Versprühen mit Wasser. Das Direktschäumverfahren erweist sich als verfahrenstechnisch leichter handhabbar und liefert in einem einzigen Schritt Schaumformteile.

Ill., graph. Darst.

Proteinogene Biowerkstoffe gelten durch ihre vollständig biologisch abbaubare und kompostierbare Natur als aussichtsreiche Materialien für Biopolymere. Um die bestehenden Marktpotenziale ausschöpfen zu können, müssen bestehende Barrieren in Form fehlender Kostenvorteile eines Massenproduktionsverfahrens und unzureichenden funktionalen Eigenschaftsprofilen abgebaut werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für proteinogene Folien und eine gezielte Optimierung funktionaler Endprodukteigenschaften mithilfe ausgewählter Modifikationsstrategien. Zu diesem Zweck werden ein Anlagen- und Prozessschema sowie Produktoptimierungsstrategien entworfen, Machbarkeitsstudien durchgeführt und deren Eignung bewertet. Die Ergebnisse dienen der Etablierung und Standardisierung eines Herstellungsverfahrens für proteinogene Endprodukte mit anwendungsspezifischen Eigenschaftsprofilen für einen nachhaltigen wirtschaftlichen Erfolg und gesellschaftlicher Akzeptanz.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Ill., graph. Darst.

Viskoelastische Eigenschaften passiver und aktiver (mit Motorproteinen vernetzter) Aktinnetzwerke (semiflexible Biopolymernetzwerke) wurden mittels Mikrorheometrie auf der Basis magnetischer Pinzetten untersucht. Detaillierte Analysen der zeitabhängigen mechanischen Komplianz führten zur Entdeckung bisher unbekannter Skalengesetze, die es ermöglichen viskoelastische Module mit strukturellen Eigenschaften der Netzwerke zu verknüpfen. Diese Skalengesetze ermöglichen es, mechanische Eigenschaften künstlicher und natürlicher Aktinnetzwerke mit deren strukturellen Parametern und Phasenumwandlungen, sowie mit den Konfornmationsumwandlungen der Filamente und der Motorproteine zu korrelieren. Es wurde gezeigt, dass in mit Motorproteinen vernetzten Aktinnetzwerken bei ATP-Verarmung, in der Nähe des Sol-Gel-Übergangs ein aktiver Filamenttransport analog zur Muskelkontraktion auftritt. Viscoelastic properties of passive and active (= cross-linked with motor-proteins) actin networks (= semiflexible biopolymer networks) where analyzed by magnetic-tweezers based microrheometry. Detailed analyzes of time dependant mechanical compliances led to the discovery of formerly unknown scaling laws connecting viscoelastic modules of the network to their structural properties. These scaling laws allow to correlate mechanical properties of artificial and natural actin networks to their structural parameters, phase transitions and conformational changes of the filaments and motor proteins. It has been shown, that actin networks, that were cross-linked with motor proteins, show an active filament transport (analog to muscle contraction) in the vicinity of an ATP depletion driven sol to gel transition.

Ill., graph. Darst., Tab.

Ill., graph. Darst.