Avaliação do potencial de valorização da lenhina em fibra de carbono

Abstract

A lenhina é um dos três polímeros principais que constituem o compósito natural denominado de ligno-celulose, em particular é parte da matriz com a hemicelulose. Este compósito tem a sua representação macroscópica na madeira. A lenhina é derivada de três fenilpropanóides que polimerizam em três monómeros respectivos. É o segundo polímero mais comum na Terra, e devido à sua estrutura aromática, é o polímero aromático predominante. A indústria de pasta de papel, a sua principal produtora, considera-a como um sub-produto, na forma do licor negro, que é incinerado para o aquecimento das caldeiras como um combustível secundário. Apesar das transformações químicas sofridas no processamento de pasta de papel, é possível mitigar o seu efeito após o isolamento da lenhina contida no licor negro, e por isso produzir um material com uma química adequada a ser precursor de fibra de carbono. Utilizou-se uma lenhina já purificada proveniente do processamento de pasta de papel kraft. Para avaliar as suas condições de processamento realizou-se a sua caracterização térmica, onde se determina a sua transição vítrea, que define a temperatura mínima para o seu processamento em extrusão. A caracterização química fornece informação sobre a sua origem biológica e a eficiência da purificação aplicada. Para a produção de fibra verde, o filamento precursor da fibra de carbono, em extrusão contínua, recorreu-se ao ABS como plasticizador para a extrusão - resultante da selecção de materiais após experiências com seis termoplásticos, todos eles com grupos funcionais capazes de formar pontes de hidrogénio com a lenhina. A fibra verde foi sujeita a um aquecimento em ar numa estufa como uma aproximação à etapa de termoestabilização, para avaliar a capacidade da fibra produzida em ser carbonizada. Verificou-se que as fibras foram oxidadas e aumentaram a sua resistência térmica para as temperaturas iniciais da carbonização. Com recurso à regressão linear estima-se, com base nos ensaios de TGA, que a conversão destas fibras de lenhina com concentrações entre os 50 a 40 % de ABS se encontre, respectivamente entre os 13 a 25 %.

Lignin is one of the three main polymers that exist in the natural composite, referred to as lignocellulose, in particular being part of the the matrix with hemicellulose. This composite has its macroscopic representation in wood. Lignin is derived from three phenylpropanoids which polymerize in three respective monomers. It’s the second most common polymer on Earth, and because of its aromatic structure, is the predominant aromatic polymer. The paper pulp industry, its main producer, views it as a sub-product, in the form of black liquor, which is incinerated as a secondary fuel to heat the pulp boilers. In spite of the transformations that occur in pulp processing, it’s possible to attenuate said chemical changes after isolating lignin from black liquor, and with this producing a material with chemical properties suitable as a carbon fibre precursor. A lignin from the kraft pulp process already purified was used as the base material for this work. Thermal characterization was used to determine it’s processing temperature, based on it’s glass transition, that defines its minimum extrusion temperature. The chemical characterization provides information relative to the lignin biological origin and the efficiency of the purification used. For the production of green fibre, the precursor filament of carbon fibre, done in continuous extrusion, ABS was used as a plasticizer for this process - selected from the results obtained mixing of a total of six thermoplastics, which contained functional groups capable to form hydrogen bonds with lignin. The green fibre was heated in a thermal oven as an approximation to thermostabilization, to evaluate the ability of the produced fibre to withstand carbonization. The oxidized fibres showed higher thermal resistance to the initial carbonization temperatures. Using linear regression, with the data obtained in TGA tests, the conversion of the fibres with 50 to 40 % of ABS is estimated, respectively between 13 to 25 %.