Espuma rígida de poliuretano a partir de poliol derivado da lignina kraft

Abstract

A lignina, o composto aromático mais abundante do mundo, representa um dos principais resíduos da indústria de papel e polpação, Apesar da disponibilidade em larga escala com mais de 100 milhões de toneladas produzidas anualmente e a maior parte ainda é subutilizada, o que desperdiça um potencial significativo devido à sua complexidade estrutural, que inclui uma ampla variedade de grupos funcionais e ligações aromáticas e alifáticas, a lignina é uma fonte promissora para a produção de materiais de base biológica de alto valor agregado, um bom potencial é o uso como polióis para espumas de poliuretano (PU). O objetivo desta tese é o desenvolvimento de espumas rígidas de poliuretano (RPUFs) a partir de poliol de lignina, com foco nas propriedades estruturais, térmicas e mecânicas. No primeiro capítulo, avaliou-se a liquefação catalisada por ácido da lignina Kraft, observando que a adição de 6 wt.% de H₂SO₄ resultou em poliol com maior rendimento e massa molar, além de menor teor de umidade, possibilitando a obtenção de espumas, microestrutura celular mais uniforme, maior estabilidade térmica e elevação da temperatura de transição vítrea. No segundo capítulo, investigou-se o efeito da expansão sob confinamento em diferentes níveis (livre, 12,5% e 25%), verificando-se aumento de densidade e redução do tamanho celular, acompanhados de maior organização supramolecular. Essas alterações estruturais refletiram em expressivo aprimoramento das propriedades mecânicas, com incremento de até ~1295% na resistência à compressão e ~2874% no módulo de armazenamento, além da redução de até 60% na absorção de água e aumento de 10 °C na Tg. No terceiro capítulo, estudou-se a incorporação de nanocristais de celulose (CNC) em concentrações entre 0,2% e 0,8%, sendo observada, para 0,2% e 0,4%, a formação de interações favoráveis com a matriz poliuretânica, resultando em microestruturas celulares mais homogêneas, aumento da Tg e elevação da estabilidade térmica (282–285 °C em comparação a 272,6 °C da espuma de referência). Concentrações superiores levaram à aglomeração dos nanocristais e à consequente perda de desempenho. Em conjunto, os resultados evidenciam que a modificação química da lignina, o controle das condições de expansão e a incorporação de reforços nanocelulósicos configuram estratégias complementares e eficazes para o desenvolvimento de espumas rígidas de poliuretano com poliol de lignina, com propriedades ajustáveis e potencial aplicação em substituição a materiais petroquímicos.

Lignin, the most abundant aromatic compound in the world, represents one of the main wastes of the paper and pulping industry, Despite large-scale availability with more than 100 million tons produced annually and most of it is still underutilized, which wastes significant potential due to its structural complexity, which includes a wide variety of functional groups and aromatic and aliphatic bonds, lignin is a promising source for the production of high valueadded bio-based materials, a good potential is the use as polyols for polyurethane (PU) foams. The objective of this thesis is the development of rigid polyurethane foams (RPUFs) from lignin polyol, focusing on structural, thermal and mechanical properties. In the first chapter, the acidcatalyzed liquefaction of Kraft lignin was evaluated, observing that the addition of 6 wt.% of H₂SO₄ resulted in polyol with higher yield and molar mass, as well as lower moisture content, allowing the achievement of foams, more uniform cellular microstructure, greater thermal stability and increased glass transition temperature. In the second chapter, the effect of expansion under confinement at different levels (free, 12.5% and 25%) was investigated, with an increase in density and a reduction in cell size, accompanied by greater supramolecular organization. These structural changes reflected in a significant improvement in mechanical properties, with an increase of up to ~1295% in compressive strength and ~2874% in storage modulus, in addition to a reduction of up to 60% in water absorption and an increase of 10 °C in Tg. In the third chapter, the incorporation of cellulose nanocrystals (CNC) in concentrations between 0.2% and 0.8% was studied. for 0.2% and 0.4%, the formation of favorable interactions with the polyurethane matrix was observed, resulting in more homogeneous cellular microstructures, increased Tg and increased thermal stability (282–285 °C compared to 272.6 °C for the reference foam). Higher concentrations led to the agglomeration of the nanocrystals and the consequent loss of performance. Together, the results show that the chemical modification of lignin, the control of expansion conditions and the incorporation of nanocellulosic reinforcements configure complementary and effective strategies for the development of rigid polyurethane foams with lignin polyol, with adjustable properties and potential application to replace petrochemical materials.