Fracionamento de lignina proveniente do processo kraft para obtenção de frações com diferentes massas molares e aplicação em materiais funcionais: espumas de carbono.
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17414 |
Resumo: | This thesis has three main objectives: (i) To describe an efficient fractionation method for Kraft lignin (KL) to extract large amounts of low molecular weight lignin, which indicates the presence of a higher content of phenolic hydroxyl groups; (ii) Select KL fractions as a partial substitute for phenol in the synthesis of phenolic resins and correlate their structure-property; (iii) To describe an efficient route for the synthesis of carbon foams (CF) derived from KL fractions by thermal decomposition of a polyurethane (PU) sacrificial mold. The KL from Eucalyptus urograndis wood was refined by the ethyl acetate (EtOAc) fractionation process. The lignin-phenol-formaldehyde (LPF) resins were formulated replacing 25 and 50% of the phenol by fractionated lignin. The lignin used were KL, fraction of KL insoluble in EtOAc (LFIns) and fraction of KL soluble in EtOAc (LFSol). LFSol and LFIns fractions were analyzed for composition, functional group content and thermal properties. The structure-property correlation of the CF produced by the partial replacement of phenol by KL, and its fractions (LFSol and LFIns) was also analyzed. For this, the CF produced were characterized by thermal analysis, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) and electrochemical measurements. Gel Permeation Chromatography (GPC) results indicated that lower molecular weight lignin fractions (LFSol) showed greater solubility in EtOAc. The total hydroxyl group content (by 31P NMR) of the LFSol fraction increased to 4.73 mmol.g-1 after fractionation. The phenolic resin based on LFSol-derived monomers showed adhesion resistance, glass transition temperature and thermal stability with values close to commercial phenolic resins. The better homogeneity of the LPF resin produced from LFSol, with 25% phenol replacement, resulted in adhesion properties similar to the control resin (2.58±0.13 and 2.38±0.23 MPa for the samples control and LFSol, respectively). On the other hand, FLSol can directly replace 15% of the commercial FF resin (corresponding to >30% phenol replacement) showing similar adhesive performance (4.71±0.22 and 4.56±0.43 MPa for the control and LFSol samples, respectively) compared to the commercial control and significantly superior to LFIns (3.38±0.20 MPa) and KL (3.59±0.23 MPa). The results indicated that the foam synthesized with LFSol had very similar properties to the control resin with 100% phenol. The potential of LFSol for application as an electrochemical sensor was also demonstrated, with good selectivity for the detection of hydroquinone in water. |
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Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17414.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17414This thesis has three main objectives: (i) To describe an efficient fractionation method for Kraft lignin (KL) to extract large amounts of low molecular weight lignin, which indicates the presence of a higher content of phenolic hydroxyl groups; (ii) Select KL fractions as a partial substitute for phenol in the synthesis of phenolic resins and correlate their structure-property; (iii) To describe an efficient route for the synthesis of carbon foams (CF) derived from KL fractions by thermal decomposition of a polyurethane (PU) sacrificial mold. The KL from Eucalyptus urograndis wood was refined by the ethyl acetate (EtOAc) fractionation process. The lignin-phenol-formaldehyde (LPF) resins were formulated replacing 25 and 50% of the phenol by fractionated lignin. The lignin used were KL, fraction of KL insoluble in EtOAc (LFIns) and fraction of KL soluble in EtOAc (LFSol). LFSol and LFIns fractions were analyzed for composition, functional group content and thermal properties. The structure-property correlation of the CF produced by the partial replacement of phenol by KL, and its fractions (LFSol and LFIns) was also analyzed. For this, the CF produced were characterized by thermal analysis, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) and electrochemical measurements. Gel Permeation Chromatography (GPC) results indicated that lower molecular weight lignin fractions (LFSol) showed greater solubility in EtOAc. The total hydroxyl group content (by 31P NMR) of the LFSol fraction increased to 4.73 mmol.g-1 after fractionation. The phenolic resin based on LFSol-derived monomers showed adhesion resistance, glass transition temperature and thermal stability with values close to commercial phenolic resins. The better homogeneity of the LPF resin produced from LFSol, with 25% phenol replacement, resulted in adhesion properties similar to the control resin (2.58±0.13 and 2.38±0.23 MPa for the samples control and LFSol, respectively). On the other hand, FLSol can directly replace 15% of the commercial FF resin (corresponding to >30% phenol replacement) showing similar adhesive performance (4.71±0.22 and 4.56±0.43 MPa for the control and LFSol samples, respectively) compared to the commercial control and significantly superior to LFIns (3.38±0.20 MPa) and KL (3.59±0.23 MPa). The results indicated that the foam synthesized with LFSol had very similar properties to the control resin with 100% phenol. The potential of LFSol for application as an electrochemical sensor was also demonstrated, with good selectivity for the detection of hydroquinone in water.Essa tese é composta por três objetivos principais: (i) Descrever um método eficiente de fracionamento da lignina Kraft (LK) para extrair grandes quantidades de lignina de baixa massa molar, o que indica a presença de maior conteúdo de grupos hidroxilas fenólicos; (ii) Selecionar frações de LK como substituto parcial de fenol na síntese de resinas fenólicas e correlacionar sua estrutura-propriedade; (iii) Descrever uma rota eficiente para a síntese de espumas de carbono (EC) derivadas de frações da LK por decomposição térmica de um molde de sacrifício de poliuretano (PU). A LK da madeira de Eucalyptus urograndis foi refinada pelo processo de fracionamento em acetato de etila (AcEt). As resinas lignina-fenol-formaldeído (LFF) foram formuladas substituindo 25 e 50% do fenol pela lignina fracionada. As ligninas empregadas foram LK, fração de LK insolúvel em AcEt (FLIns) e fração de LK solúvel em AcEt (FLSol). As frações FLSol e FLIns foram analisadas quanto à composição, conteúdo de grupos funcionais e propriedades térmicas. Também foi analisada a correlação estrutura-propriedade da EC produzida pela substituição parcial do fenol por LK, e suas frações (FLSol e FLIns). Para isso as EC produzidas foram caracterizadas por análise termogravimétrica, difração de raios X (DRX), espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV), Brunauer-Emmett-Teller (BET) e medidas eletroquímicas. Os resultados da Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) indicaram que as frações de lignina de menor massa molar (FLSol) apresentaram maior solubilidade em AcEt. O conteúdo total de grupos hidroxila (por 31P NMR) da fração FLSol aumentou para 4,73 mmol.g-1 após o fracionamento. A resina fenólica à base de monômeros derivados de FLSol apresentou resistência à adesão, temperatura de transição vítrea e estabilidade térmica com valores próximos às resinas fenólicas comerciais. A resistência a adesão da resina FLSol-25 (150ºC) mostrou um ganho de adesão de 23 e 29% maior em relação a LK-25 e FLIns-25. A melhor homogeneidade da resina LFF produzida a partir de FLSol, com 25% de substituição do fenol, resultou em propriedades de adesão semelhantes à resina de controle (2,58±0,13 e 2,38±0,23 MPa para as amostras controle e FLSol, respectivamente). Por outro lado, a FLSol pode substituir diretamente 15% da resina FF comercial (correspondendo a > 30% de substituição de fenol) mostrando o desempenho adesivo semelhante (4,71±0,22 e 4,56±0,43 MPa para as amostras controle e FLSol, respectivamente) ao controle comercial e significativamente superior ao FLIns (3,38±0,20 MPa) e LK (3,59±0,23 MPa). Os resultados indicaram que a espuma de carbono sintetizada com FLSol apresentou propriedades muito semelhantes à resina controle com 100% de fenol. Também foi demonstrado o potencial do FLSol para aplicação como sensor eletroquímico, com boa sensibilidade para detecção de hidroquinona em água.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88882.427090/2019-0188881.622738/2021-012019/19401-1porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus SorocabaPrograma de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-SoUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBiorrefinariaFracionamentoResinas fenólicasEspumas de carbonoLignina KraftKraft LigninCarbon FoamsBiorefineryPhenolic ResinsFractionationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS::POLIMEROS, APLICACOESFracionamento de lignina proveniente do processo kraft para obtenção de frações com diferentes massas molares e aplicação em materiais funcionais: espumas de carbono.Fractionation of kraft lignin to obtain fractions with different molar mass and application in functional materials: carbon foams.info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006004505644f-cfa6-4234-9953-ab1d7f6328b0reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdfTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdfTese_Jéssica de Souza Rodriguesapplication/pdf4151824https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17414/1/Tese%20-%20J%c3%a9ssica%20de%20Souza%20Rodrigues.pdf162ec682a71c80761e4cbdd920f23596MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17414/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdf.txtTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdf.txtExtracted texttext/plain253088https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17414/3/Tese%20-%20J%c3%a9ssica%20de%20Souza%20Rodrigues.pdf.txt5d0ca80603a232a499d7418ca27a3bc9MD53THUMBNAILTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdf.jpgTese - Jéssica de Souza Rodrigues.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6422https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17414/4/Tese%20-%20J%c3%a9ssica%20de%20Souza%20Rodrigues.pdf.jpg4aa865ccd026a26052a19d910fc3324eMD54ufscar/174142023-09-18 18:32:33.055oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17414Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:33Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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