Lignin-Based Thermosets with Tunable Mechanical and Morphological Properties : A Study of Structure-Property Relationships

• Nowadays, there is an urgent need to decrease our dependence on fossilresources and shift towards the use of renewable resources for advancingsustainable development. Utilizing renewable and bio-based raw materials,such as lignocellulosic biomass, for designing new materials is a promisingapproach to promote this objective. The main components of lignocellulosicbiomass are cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin is the most abundantaromatic biopolymer in nature and it is produced on a large scale fromchemical pulping processes as technical lignin. Lignin has the potential as asustainable and renewable alternative to fossil-based aromatics in variousapplications, e.g. thermosetting resins.Technical lignin has a complex and heterogeneous structure, with arelatively low chemical reactivity. It is characterized by a high dispersity, thepresence of various functional groups that are unevenly distributed along thelignin chains, and various interunit linkages between the monoaromatics. Toovercome the challenges associated with lignin heterogeneity, technicallignin can be fractionated and/or chemically modified.In this work, LignoBoost Kraft lignin was used as a starting material toproduce lignin-based thiol-ene thermosets. Firstly, lignin was fractionatedusing two approaches: 1) sequential solvent fractionation, and 2) microwaveassistedextraction. These fractionation approaches enabled access to ligninfractions with unique and tunable properties. Subsequently, lignin waschemically modified, in particular through allylation. Two allylation reagentswere used: allyl chloride and diallyl carbonate. The use of allyl chlorideenables a selective allylation of the phenolic OH groups, leaving the aliphaticand carboxylic acid OH groups unmodified. On the other hand, diallylcarbonate can react with all the aforementioned OH groups, leading to ahigher degree of allylation. Subsequently, allylated lignin was thermallycross-linked with various polyfunctional thiols, leading to thiol-enethermosets. The structure-property relationships of the thermosets wereinvestigated by varying several parameters, including the lignin source,fractionation approach, chemical modification, and thiol cross-linker. Byadjusting these parameters, various thermosets with tunable mechanical andmorphological properties were produced. Understanding the structurepropertyrelationships of these bio-based materials is crucial for identifyingpotential applications.

• Nuförtiden finns det ett akut behov av att minska vårt beroende av fossilaresurser och övergå till användningen av förnybara resurser och därmedavancera den hållbara utvecklingen. Att använda förnybara och biobaseraderåvaror, såsom lignocellulosabiomassa, för att designa nya material är ettlovande tillvägagångssätt för att uppnå detta mål. Huvudkomponenterna ilignocellulosabiomassa är cellulosa, hemicellulosa och lignin. Lignin ärnaturens vanligaste aromatiska biopolymer och den produceras i stor skalafrån kemiska massaprocesser som tekniskt lignin. Lignin kan fungera som etthållbart och förnybart alternativ till fossilbaserade aromater i olikatillämpningar, t.ex. g. värmehärdande hartser.Tekniskt lignin har en komplex och heterogen struktur, med en relativt lågkemisk reaktivitet. Det kännetecknas av en hög dispersitet, närvaron av olikafunktionella grupper som är ojämnt fördelade längs ligninkedjorna, och olikatyper av enhetsbindningar mellan monoaromaterna. För att övervinna deutmaningar som är förknippade med ligninets heterogenitet kan ligninfraktioneras och/eller kemiskt modifieras.I detta arbete användes LignoBoost Kraft-lignin som utgångsmaterial föratt tillverka ligninbaserade tiol-en-härdplaster. Först har lignin fraktioneratsmed hjälp av två olika metoder: 1) sekventiell lösningsmedelsfraktionering,och 2) mikrovågsassisterad extraktion. Dessa fraktioneringsmetoder gjordedet möjligt att erhålla ligninfraktioner med unika och skräddarsyddaegenskaper. Därefter modifierades ligninet kemiskt genom allylering. Tvåallyleringsreagens användes: allylklorid och diallylkarbonat. Användningenav allylklorid möjliggör selektiv allylering av de fenoliska OH-grupperna,samtidigt som de alifatiska och karboxylsyra-OH-grupperna lämnasomodifierade. Diallylkarbonat kan å andra sidan reagera med alla de tidigarenämnda OH-grupperna, vilket leder till en högre grad av allylering. Däreftertvärbands härdades allylerat lignin termiskt med olika polyfunktionellatioler, för att ge härdplast med tiol-en-tvärbindingar. Strukturegenskapsförhållandenaför härdplasterna undersöktes genom att varieraflera parametrar, inklusive ligninkällan, fraktioneringsmetod, kemiskmodifiering och tioltvärbindare. Genom att justera dessa parametrarproducerades olika härdplaster med skräddarsydda mekaniska ochmorfologiska egenskaper. Att förstå relationerna mellan struktur ochegenskaper av dessa biobaserade material är avgörande för att identifierapotentiella tillämpningar.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Organisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Organic Chemistry (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Polymerkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Polymer Chemistry (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Polymerteknologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Polymer Technologies (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Materialkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Materials Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

Softwood

hardwood

technical lignin

solvent fractionation

allylation

thiol-ene thermosets

thioether linkage

wide-angle X-ray scattering

π-π stacking interactions

Barrträ

lövträ

tekniskt lignin

lösningsmedelsfraktionering

allylering

tiol-en-härdplaster

tioeterbindning

vidvinkelröntgenspridning

π-π staplingsinteraktioner

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)