Αξιοποίηση λιγνίνης προς παραγωγή νέων πολυμερών και σύνθετων υλικών
Authors: Παππά Χριστίνα 
Published: July 2024

Η λιγνίνη, ένα από τα τρία βασικά δομικά συστατικά της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας, είναι το πιο άφθονο αρωματικό πολυμερές στη φύση και μπορεί να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη βιοπροερχόμενων θερμοσκληρυνόμενων και θερμοπλαστικών πολυμερών και σύνθετων υλικών λόγω της πλούσιας φαινολικής δομής της και της υψηλής λειτουργικότητάς της, εκφρασμένη σε πλήθος φαινολικών και αλειφατικών υδροξυλίων και καρβοξυλίων. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η απομόνωση λιγνίνης από βιομάζα οξιάς, αμπελιού και λεύκας με τη Οργανολυτική (Organosolv) διεργασία. Ταυτόχρονα μελετήθηκε και μια εμπορική λιγνίνη (Kraft) η οποία αποτελεί παραπροϊόν της βιομηχανίας χαρτοπολτού και η οποία τροποποιήθηκε με γλυκιδυλίωση, με άλεση σε πλανητικό σφαιρόμυλο και επεξεργασία με υπέρηχους με στόχο την αύξηση της δραστικότητας της και την μείωση του μεγέθους σωματιδίων, αντίστοιχα. Οι λιγνίνες χαρακτηρίστηκαν ως προς τα φυσικοχημικά, δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά τους με τεχνικές, όπως NMR (2D HSQC και 31P-), GPC, SEM/TEM, PSD/DLS, TGA/DSC κ.α. Στη συνέχεια, οι λιγνίνες αξιοποιήθηκαν στη σύνθεση εποξειδικών πολυμερών και σύνθετων υλικών, στοχεύοντας είτε στην αντικατάσταση του σκληρυντή είτε στην αντικατάσταση της εποξειδικής ρητίνης είτε ταυτόχρονα και των δυο συστατικών των εποξειδικών πολυμερών. Έτσι, οι λιγνίνες μελετήθηκαν είτε ως βιοπροερχόμενοι σκληρυντές είτε ως βιο-εποξειδικές ρητίνες είτε ως λειτουργικά πρόσθετα. Η ενσωμάτωσή τους στα σύνθετα υλικά ενίσχυσαν τις ιδιότητες των εποξειδικών πολυμερών όπως τις μηχανικές, θερμομηχανικές, θερμικές, αντιοξειδωτικές ιδιότητες και αντοχή σε διαλύτες, ακόμα και όταν ενσωματώθηκαν σε υψηλά ποσοστά (έως 30%κ.β). Οι λιγνίνες αντικατέστησαν επιτυχώς έως και 14%κ.β. του εμπορικού σκληρυντή διαμίνης (Jeffamine D-230) ενώ η γλυκιδυλιωμένη λιγνίνη αντικατέστησε επιτυχώς έως και 38%κ.β. της εμπορικής εποξειδικής ρητίνης (Διγλυκιδυλαιθέρα της Δισφαινόλης-Α, DGEBA). Σε μια άλλη προσέγγιση, τα συστατικά των εποξειδικών πολυμερών και συγκεκριμένα η εποξειδική ρητίνη παρασκευάστηκε από βιοπροερχόμενες φαινολικές ενώσεις που συναντώνται στα βιοέλαια πυρόλυσης λιγνίνης, ενισχύοντας τη βιωσιμότητα και την αειφορία της παραγωγής εποξειδικών πολυμερών. Μελετήθηκε η καταλυτική συμπύκνωση γουαϊακόλης με τη βανιλλική αλκοόλη προς μονομερή Δισγουαϊακόλης-F (BGF). Τα μονομερή BGF γλυκιδυλιώθηκαν και προέκυψε η βιοπροερχόμενη εποξειδική ρητίνη DGEBGF, η οποία δικτυώθηκε με εμπορικό σκληρυντή Jeffamine D-230, πετυχαίνοντας την αντικατάσταση της εμπορικής DGEBA ρητίνης κατά 38%κ.β. Τα νέα βιοπολυμερή χαρακτηρίζονταν από βελτιωμένες μηχανικές και θερμομηχανικές ιδιότητες, αναδεικνύοντας έτσι τη δυνατότητα αξιοποίησης βιοπροερχόμενων μονομερών από λιγνίνη τα οποία μπορούν να συναγωνιστούν τα αντίστοιχα εμπορικά τύπου Δισφαινόλης-Α (BPA). Επιπλέον, μελετήθηκε η καταλυτική συμπύκνωση λιγνίνης και φαινολικών και φουρανικών ενώσεων από βιομάζα προς σύνθεση ρητινών τύπου φαινόλης-φορμαλδεΰδης (PF). Μελετήθηκε η 100% αντικατάσταση της φορμαλδεΰδης από φουρφουράλη και η συμπύκνωσή της με φαινόλη. Οι ρητίνες PFu χαρακτηρίστηκαν μέσω 13C-NMR φασματοσκοπίας, η οποία επιβεβαίωσε την επιτυχή συμπύκνωση και σχηματισμό διμερών και τριμερών φαινόλης-φουρφουράλης. Αντίστροφα, αλκυλ- και αλκοξυ-φαινολικές ενώσεις που συναντώνται στα βιοέλαια πυρόλυσης λιγνίνης αντικατέστησαν το 100% της φαινόλης, οδηγώντας στον επιτυχή σχηματισμό φαινολικών ολιγομερών και ρητινών PF. Τέλος, μελετήθηκε η σύνθεση 100% βιοπροερχόμενων ρητινών τύπου PF μέσω της συμπύκνωσης φαινολικών ενώσεων βιοελαίων πυρόλυσης λιγνίνης και φουρφουράλης και αναδείχτηκε ο επιτυχής σχηματισμός ολιγομερών φαινολικών ενώσεων-φουρφουράλης, αναδεικνύοντας έτσι τη δυνατότητα αξιοποίησης βιοπροερχόμενων ενώσεων για τη σύνθεση ρητινών τύπου PF.