Aufbereitung chitosanbasierter BiopolymerAerogele und Aufbau einer dreidimensionalen Plattenware für den Einsatz als nachhaltige Thermo-Isolierbox

Kurzfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung eines nachhaltigen Dämmmaterials auf Basis des Biopolymers Chitosan. Es soll die Möglichkeit aufgezeigt werden, herkömmliches Polystyrol als Dämmmaterial zu substituieren. Dazu wurde ein Hybrid-Aerogel aus Chitosan und einem Silica-Aerogel hergestellt. Zur Herstellung des Hybriden-Aerogels wurde pulverförmiges Silica-Aerogel in verschiedenen Massenanteilen mit einer Chitosan-Lösung gemischt. Damit der Einfluss des eingetragenen Silicas untersucht werden konnte, wurde zusätzlich eine reine Chitosan-Lösung als Referenz angesetzt. Anschließend wurden aus den Hybrid-Lösungen große Mengen Beads hergestellt, die in einer Natriumhydroxid-Lösung gelierten. Durch überkritische Trocknung wurden die Gel-Beads in den Aerogel-Zustand überführt. Zuletzt gelang es, durch Kompression und einen Haftvermittler aus den einzelnen Beads Formkörper herzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Großteil der initialen Menge an Silica-Aerogel aus den Hybriden über den Herstellungsprozess ausgetragen wurde. Dennoch konnte die erfolgreiche Integration der Silica-Phase in das fibrillare Chitosan-Netzwerk mit Hilfe einer thermisch-gravimetrischen Analyse und Rasterelektronenmikroskopie bewiesen werden. Durch die Silica-Phase in den Hybriden-Aerogelen konnte die thermische Leitfähigkeit auf unter 30 mW/(m∙K) verbessert werden. Die Untersuchungen der spezifischen Oberfläche und des Porenvolumens wurde mittels Stickstoffphysisorption durchgeführt und die Isothermen nach BET bzw. BJH ausgewertet. Ein Einfluss der Silica-Phase auf die spezifische Oberfläche wurde nicht festgestellt. Allerdings besetzten einzelne SilicaPartikel die offenen Poren des Chitosan-Netzwerkes, sodass das Porenvolumen der Hybrid-Aerogele herabgesetzt wurde. Des Weiteren ist es gelungen sowohl zylindrische Formkörper, als auch Plattenware aus den Beads herzustellen. Die Verbindung der einzelnen Beads gelang unter der Verwendung eines Haftvermittlers und durch einen Formschluss mittels mechanischer Kompression. Dabei wurde herausgefunden, dass die Verwendung von über 10 Gew.-% an Haftvermittler die Aerogel-Struktur beschädigte. Des Weiteren war eine Kompression von 75 % des ursprünglichen Bead-Schüttvolumens notwendig, um einen stabilen Formkörper zu erhalten. In einer druckmechanischen Prüfung wurde festgestellt, dass mit steigendem Silica-Anteil die Stabilität der Formkörper abnahm. Die Druckstabilität betrug zwischen 1 und 0,4 MPa.