Avaliar frações de lignina kraft em biofilmes de acetato de celulose

Abstract

As embalagens poliméricas de base biológica têm sido utilizadas como alternativa aos polímeros à base de petróleo. No conceito de biorrefinaria, a utilização da biomassa lignocelulósica pode ser potencialmente convertida em biomateriais. A lignina vem se destacando, bem como os derivados da celulose, para atender a esse conceito. O acetato de celulose (AC) destaca-se na área de embalagem, porém requer a adição de auxiliares de processamento, como plasticizantes ou agentes de reforço. Esse trabalho teve como objetivo o fracionamento da lignina kraft por precipitação ácida sequencial do licor negro kraft de madeira dura para propor novas aplicações de valor agregado e avaliação do efeito da lignina kraft precipitada em diferentes concentrações (0,3 %; 0,6 %; 0,9 % e 1,2 %), na presença ou ausência do plasticizante glicerol, adicionados à matriz de AC. A precipitação foi realizada sequencialmente por acidificação com ácido sulfúrico 98 % em três faixas de pH (13-9, 9-6 e 6-3). As diferentes frações de lignina kraft foram caracterizadas em termos de rendimento total e por fração; teores de carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre; espectroscopia no infravermelho (FTIR), poder calorífico, tamanho de partículas por espalhamento de luz dinâmico e por imagens em MEV. As ligninas kraft precipitadas apresentaram distribuição de tamanhos de partículas específica, em duas populações, atribuída a fragmentos de lignina isolados e agrupados, e características químicas semelhantes, em proporções diferentes. Os biofilmes desenvolvidos foram caracterizados por meio de ensaios de resistência mecânica, imagens em MEV, espessura, transmitância, permeabilidade ao vapor d ́água, hidrofilicidade e biodegradabilidade. Algumas propriedades dos biofilmes de AC aumentaram com a adição do glicerol, como opacidade, permeabilidade ao vapor d ́água e biodegradabilidade. A presença de lignina kraft de modo geral, melhorou as propriedades mecânicas dos biofilmes, atuando como um agente de reforço e também como plasticizante e auxiliar de plasticizante. Além disso, foram obtidos biofilmes mais hidrofóbicos e com permeabilidade ao vapor d ́água e biodegradabilidade reduzidas, com superfície lisa e homogênea. Ou seja, atuou de forma oposta aos biofilmes com a presença de glicerol. Esses resultados indicaram que o uso da lignina kraft bem como sua concentração, faixa de pH de precipitação do licor negro kraft e adição do plasticizante glicerol poderão ser utilizados como variáveis de acordo com a finalidade de aplicação. Palavras-chave: Biorrefinaria. Material de reforço. Plasticizante. Auxiliar de plasticizante. Biodegradabilidade.Bio-based polymeric packaging has been used as an alternative to petroleum-based polymers. In the biorefinery concept, the use of lignocellulosic biomass can potentially be converted into biomaterials. Lignin has been standing out, as well as cellulose derivatives, to meet this concept. Cellulose acetate (CA) stands out in the packaging area, but requires the addition of processing aids, such as plasticizers or reinforcing agents. This work aimed to fractionate kraft lignin by sequential acid precipitation of kraft hardwood black liquor to propose new value-added applications and evaluate the effect of kraft lignin precipitated at different concentrations (0.3%; 0.6%; 0.9% and 1.2%, in the presence or absence of the plasticizer glycerol, added to the CA matrix. Precipitation was carried out sequentially by acidification with 98% sulfuric acid in three pH ranges (13-9, 9-6 and 6-3). The different kraft lignin fractions were characterized in terms of total yield and by fraction; carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur contents; infrared spectroscopy (FTIR), calorific value, particle size by dynamic light scattering and by SEM imaging. The precipitated kraft lignins showed a specific particle size distribution, in two populations, attributed to isolated and grouped lignin fragments, and similar chemical characteristics, in different proportions. The developed biofilms were characterized by mechanical strength tests, SEM images, thickness, transmittance, water vapor permeability, hydrophilicity and biodegradability. Some properties of AC biofilms increased with the addition of glycerol, such as opacity, water vapor permeability and biodegradability. The presence of kraft lignin generally improved the mechanical properties of biofilms, acting as a reinforcing agent and also as a plasticizer and plasticizer aid. In addition, more hydrophobic biofilms with reduced water vapor permeability and biodegradability were obtained, with a smooth and homogeneous surface. That is, it acted in the opposite way to biofilms with the presence of glycerol. These results indicated that the use of kraft lignin as well as its concentration, pH range of precipitation of kraft black liquor and addition of the plasticizer glycerol can be used as variables according to the purpose of application.Keywords: Biorefinery. Biodegradability. Reinforcement material. Plasticizer. Plasticizer assistant.