Synthesis and characterization of lignin based polyurethane coatings

Lignin is the third most abundant natural polymer but nowadays it is not used and valorized enough because it is a potential high value compound and it is mainly burned in the production of low value energy. The aim of this thesis work is therefore trying to find an application for lignin that valorizes its potential instead of wasting it; for this reason, in this work, lignin as been used as a starting reagent for the production of polyurethane coatings, exploiting its aromatic rings and hydroxyl groups. The project has started synthesizing different diisocyanates starting from molecules that are well present in the molecular structure of lignin; between all of them, the one coming from vanillic acid (1,4-bis(4-isocyanato-2-methoxyphenoxy)butane) has been chosen as the best one according to solubility, purity and yield considerations. A polyurethane reaction has been carried out combining the NCO groups of that diisocyanate and the hydroxyl groups of three different commercial lignins (Soda lignin, Kraft lignin and Organosolv lignin). The desired polymers were, as anticipated, coatings and their production was done depositing them on different substrates and using a spin coater machine in order to obtain polyurethane films of the desired thickness. At the end, the obtained coatings were studied and characterized with DSC, Optical Contact Angle analysis, adhesion tests and TGA in order to better understand their properties, the differences with the starting lignins and the effects that the three different lignins have on the final polymers. These coatings were thought to be used as primers in a multilayer coating and this application could be interesting also on the market because the cost of the reagents is basically inexistent and also because they can be considered bio derived and therefore they have a particular attention on a market which is every day much more interested in green products.

La lignina è il terzo polimero naturale più abbondante, ma al giorno d'oggi non sfruttato e valorizzato ancora adeguatamente perché è una molecola ad alto valore potenziale che però è prevalentemente utilizzata come combustibile nella produzione di energia. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi cercare di trovare un'applicazione per la lignina valorizzando il suo potenziale invece di sprecarlo; per questo motivo, in questo lavoro, la lignina è stata utilizzata come reagente di partenza per la produzione di rivestimenti poliuretanici, sfruttando i suoi anelli aromatici e gruppi ossidrile. Il progetto è iniziato con la sintesi di diversi diisocianati a partire da molecole che sono ben presentati nella struttura molecolare della lignina; tra tutti loro, quello proveniente dall'acido vanillico (1,4-bis(4-isocianato-2-metossifenossi)butano) è stato scelto come il migliore basandosi su considerazioni di solubilità, purezza e rendimento di reazione. In seguito, è stata condotta una reazione poliuretanica combinando i gruppi NCO di quel diisocianato e i gruppi ossidrile di tre diverse lignine commerciali (lignina di tipo Soda, Kraft e Organosolv). I polimeri ottenuti, come detto, sono dei coating e la loro realizzazione è stata fatta utilizzando uno spin coater per ottenere film di poliuretano dello spessore desiderato. Infine, i coating ottenuti sono stati studiati e caratterizzati con DSC, analisi dell’angolo di contatto, test di adesione e TGA al fine di comprenderne meglio le proprietà, le differenze con le lignine di partenza e gli effetti che le tre differenti lignine hanno sui polimeri finali. Questi coating sono stati pensati per essere usati come primer in un rivestimento multistrato e questa applicazione potrebbe essere interessante anche sul mercato perché il costo dei reagenti è fondamentalmente inesistente e anche perché tali polimeri possono essere considerati bio-derivati e pertanto possono godere di una particolare attenzione in un mercato ogni giorno sempre più attento e interessato a prodotti green.