Hydrogele allegmein

Zur Definition eines Gels eignen sich die drei Vorschläge von HERMANS . Ein Gel zeigt
demnach die mechanischen Eigenschaften eines Feststoffes und ist ein kohärentes System
aus mindestens zwei Komponenten. Die dispergierte Komponente und das
Dispersionsmedium strecken sich kontinuierlich.

Hydrogele im Speziellen sind dreidimensionale Polymere, die aufgrund funktioneller Gruppen
befähigt sind, Wasser in der Gelmatrix zu speichern, ohne sich dabei selbst im Wasser zu
lösen. Um erfolgreich ein Gel zu synthetisieren, muss ein Vernetzungsgrad erreicht
werden, bei dem das Polymer trotz löslicher Monomere nicht mehr löslich ist. Dieser wird als
Gelpunkt bezeichnet. Eben durch diese Vernetzungsreaktion entstehen sowohl kovalente,
als auch nicht-kovalente Bindungen zwischen den Monomeren.

Der Grad dieser Vernetzung ist eine wichtige Eigenschaft von Gelen. Die geformten Netzwerke
können sowohl schwache physikalische (in Folge der nicht-kovalenten Bindungen), als auch
starke chemische kovalente Bindungen aufweisen. Ein thermisch irreversibles Gel kann am
einfachsten mittels kovalenter Bindungsbildung erfolgen. Ähnliche Stabilität erreicht ein
physikalisches Netzwerk nur, wenn es sich in einer Helixform anordnet.

Die Aufnahme des Dispersionsmediums gründet sich auf mehrere Mechanismen. Die poröse
Struktur der Gelmatrix führt zu einem Kapillardruck. Dieser bedingt die Wasseraufnahme in
das Polymernetzwerk. Außerdem entsteht aufgrund der verschieden chemischen Potentiale
ein osmotisches Gefälle. Zusammen mit dem Polyektrolyteffekt, ausgelöst durch ionische
Gruppen innerhalb des Gels, sind dies die Hauptfaktoren für die Aufnahme von Wasser in die
Gelmatrix. Daraus resultiert für jedes Hydrogel eine spezifische Quellkapazität.
 

Ligninhydrogele

Ein stabiles quellfähiges Hydrogel mit Lignin als Grundbaustein herzustellen ist möglich. Am
IPHC der TU Dresden erweiterte PASSAUER den Ansatz von NISCHIDA, URAKI&SANO, Lignin
mit Natronlauge vorzubehandeln, um den Einsatz von Wasserstoffperoxid und Fentons
Reagenz. Die Folge ist eine Hydroxilierung sowohl der aliphatischen als auch der
aromatischen Bereiche der PPEs. PASSAUER spricht hier treffend von „Ankerpunkten“ für die

Vernetzungsreaktion. Insbesondere bei Kraftligninen erfolgt diese mit Polyethylenglucol-
diglycidyl-ether (PEGDGE). Es erfolgt ein in Abbildung 15 skizzierter nucleophiler Angriff des

Phenolat-Anions am Kohlenstoff des Epoxidrings des Vernetzers PEGDGE. Dies
verdeutlicht die Wichtigkeit der chemischen Vorbehandlung des Ausgangsmaterials für den
Vernetzungserfolg. Je stärker das Gel vernetzt ist, desto höher ist die Elastizität und ebenso
die mechanische Widerstandskraft. Die Vernetzungsintensität ist bislang die
einflussreichste Stellschraube für die Eigenschaften eines Ligninhydrogels. Stabilität und
Quellfähigkeiten sind als gegensätzliche Eigenschaften der Ligninhydrogele anzusehen

Der FSC von Kraftligninhydrogelen schwankt stark in Abhängigkeit der Herstellungsart. In
vorangegangenen Arbeiten wurden FSC im Bereich von 28 bis 135 g/g ermittelt. Im
Vergleich zu konventionellen Hydrogelen auf Acrylbasis (FSC ≥ 600 g/g) sind
Kraftligninhydrogele die schwächeren Absorber.
Der Schwerpunkt der Forschung mit Ligninhydrogelen lag zuletzt speziell im Bereich der
Bodenwasserspeicher. Dort weisen Ligninhydrogele eine hohe Stabilität auf.
Ligninhydrogele erfüllen als Bodenverbesserer in erster Linie die Funktion eines
Wasserspeichers. Sie sind in der Lage die Wasserretention von beispielsweise Sandböden zu
erhöhen, während das Wasser trotz dessen pflanzenverfügbar bleibt. Zusätzlich geben
Ligninhydrogele im Zuge ihrer Zersetzung und Umformung auch Huminstoffe an den Boden
ab.
Ein Nachteil der von PASSAUER patentierten Ligninhydrogele aus Kraftligninen ist der extreme
Wasserbedarf bei der Waschung der Gele, wenn Natronlauge zur Vorbehandlung verwendet
wurde. Aufgrund der eingesetzten Natronlauge sind die Gele anfänglich stark basisch. Da die
volle Quellkapazität, insbesondere der Kraftligninhydrogele jedoch erst in einem pH-Bereich
von 7 bis 8 erreicht wird, müssen die Gele neutral gewaschen werden. Dieser
Waschvorgang benötigt mitunter die zehntausendfache Masse an Waschwasser für die
eingesetzte Masse an Lignin.
Speziell die Hydrogele aus Kraftlignin reagieren mit ihrem Quellverhalten auf Veränderungen
der Salzkonzentration. Dahingegen sind sie unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen
im Bereich von 0 bis 100 °C. Das Absinken der Quellfähigkeit innerhalb einer Salzlösung kann
die Trocknung dieser Hydrogele deutlich vereinfachen und erhöht deren Wiederquellbarkeit.

Die verminderte Wiederquellfähigkeit ist auf einen Kollaps der porösen Gelstruktur beim
Trocknungsvorgang zurückzuführen. Dabei bilden sich Wasserstoffbrücken aus, die eine
erneute Öffnung erschweren, was zu verringerten Kapillarkräften und somit zur
schlechteren Wiederquellfähigkeit führt. Dies kann durch die Einlagerung von Salzkristallen im
Gelnetzwerk verhindert werden. Wird die Quellbarkeit durch externe Faktoren vermindert,
vollzieht sich die Schrumpfung des Gels innerhalb der ersten Minuten nahezu vollständig

Anwendungsgebiete

Obwohl die Eigenschaften von Hydrogelen eine Menge nützlicher Funktionen erfüllen, stehen
sie nicht im Fokus der Öffentlichkeit. Am weitesten sind sie im Gartenbau und in der
Hygieneindustrie verbreitet. Neben diesen Einsatzfeldern kommen Hydrogele vermehrt in der
Medizin und Sensorik zum Einsatz.
Die oben besprochenen Gele aus Lignin können dabei grundsätzlich in jedem dieser Gebiete
eingesetzt werden, allerdings ist die Verwendung als Bodenwasserspeicher wohl das
Zentralste. Ein entscheidender Vorteil gegenüber vielen kommerziellen Produkten auf
Acrylamidbasis ist, dass Ligninhydrogele aus Kraftlignin und PEGDGE sowie ihre
Abbauprodukte in nach der eingesetzten Vorschrift von PASSAUER nicht toxisch sind.
Ein weiteres vielversprechendes Einsatzgebiet ist der Bau von Sensoren und Aktuatoren.
Um Hydrogele in der Sensorik anzuwenden müssen sie Eigenschaften von stimuli responsive
oder auch smarten Hydrogelen aufweisen. Diese Gruppe von Gelen reagiert mit ihrem
Quellverhalten und somit ihrem Volumen auf sich ändernde Umwelteinflüsse. Sie (die smarten
Hydrogele) können gleichzeitig sowohl als Sensor und als Aktuator verwendet werden,
wodurch die Notwendigkeit entfällt diese Bauteile separat ins System einzubauen. Dieser
Vorteil ergibt sich daraus, dass smarte Gele ohne externe Energiequelle arbeiten können. Je
kleiner das Hydrogelbauteil ist, desto kürzer ist die Reaktionszeit, da die spezifische
Oberfläche im Verhältnis zur Gesamtmasse zunimmt.
Da der Einbau solcher Mikrobauteile enorm schwer ist, kann die Synthese statt dessen vor Ort
im Bauteil vorgenommen werden. Ein simpler Aufbau eines Sensor/Aktuator-Systems
wäre eine Membran, die als physische Barriere zwischen der auslösenden und der zu
regulierenden Flüssigkeit dient, um die unerwünschte Beeinflussung zwischen den
Flüssigkeiten zu verhindern. Das Gel kann durch seine Ausdehnung die Membran so
deformieren, dass sie die Durchtrittsmenge regulieren kann.
Smarte Hydrogele werden in vielen Bereichen der Medizin angewandt. Ein Beispiel liefert die
Verwendung als Schutzgewebe nach Brandverletzungen. Die sich anpassenden
Eigenschaften eines Smarten Hydrogels ermöglichen darüber hinaus bzw. zusätzlich eine
Verwendung als Wirkstoffträger für bestimmte Pharmazeutika. Diese werden in Abhängigkeit
des umgebenden Mediums verstärkt oder verlangsamt abgegeben. Besonders für
Krankheiten wie Diabetes ist diese Eigenschaft der selektiven Abgabe wichtig. Auch der
CO2-Gehalt ist gerade für die Überwachung von Lungenerkrankungen eine aussagekräftige
Größe. Eine Verbindung von medizinischem und sensorischem Einsatz ist ebenfalls
denkbar da chemomechanische Sensoren durchaus in der Lage sind, mehrere Monate in
einem anspruchsvollen physiologischen Umfeld wie dem menschlichen Körper zu
funktioniere.
Auch Hydrogele auf Ligninbasis sind smarte Hydrogele . Es wird darauf

eingegangen, welche Umwelteinflüsse beispielsweise ausschlaggebend für eine Volumen-
und Masseänderung sein können, nach denen sich der Sensor ausrichtet. Relevant für die

nachfolgenden Untersuchungen sind jedoch u.a. die Erkenntnisse von NONG ET AL. Demnach sind Ligninhydrogele aus Kraftligninen in der Lage, beispielsweise Kupfer und Blei-Ionen zu
adsorbieren. Somit könnten auch Ligninhydrogele zur Filterung von verschmutzten Abwässern
eingesetzt werden. Auf die Adsorptionskapazität dieser Gele besitzt der pH-Wertes einen
signifikanter Einfluss. Erste Ergebnisse lassen allerdings auch die Vermutung zu, dass
die Güte dieser Eigenschaft abhängig von der Molmasse bzw. der Struktur der eingesetzten
Lignine ist. Die vorliegende Arbeit versucht folglich, diesen Zusammenhang mithilfe der
Vorfraktionierung des Lignins in unterschiedliche Molmasse- bzw. Struktur Fraktionen weiter
zu beleuchten.
Eine Eigenschaft, welche den Nutzen sämtlicher Verwendungsmöglichkeiten zusätzlich
erhöht, ist die  Fähigkeit der Hydrogele zur Wiederquellung nach
erfolgter Trocknung oder teilweiser Wasserabgabe. Das bedeutet, dass jegliche Anwendung
durch den gleichen Gelkörper mehrmals wiederholt werden kann, bis sich die Gelmatrix
endgültig zersetzt.