Development and characterisation of lignin based polymers and carbon fibre-reinforced composites

The aim of this thesis work is the development and characterization of bio–based composite fibre reinforced materials from thermoset lignin–epoxy blends. Lignin is one of the most abundant biomasses and one of the most easily accessible sources of aromatic rings on earth. For this work there were used three types of lignin, Soda, Kraft and Organosolv, that were characterized to determine their chemistry, the respective number of functional groups and consequent reactivity. To do this the samples underwent to different analyses among which Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and gel permeation chromatography. Lignin was firstly functionalised with succinic anhydride and then added to the epoxy resin to produce the blend. Among all the available resins, it was decided to use an epoxy one, and more precisely the bisphenol A diglycidyl ether, because of its very performant properties. Then it was decided to add to the lignin-epoxy blend different types of carbon fibre reinforcements, among which both continuous and discontinuous fibres, with the aim of increasing the mechanical performances of the composites. Results firstly show that upon succination, in lignin it can be noticed an increase in the number of carboxylic groups; this phenomenon is di extremely important because carboxylic groups, being more reactive than the hydroxylic ones, favour and improve the reaction with the epoxy resin. Different method and condition of curing were tested to find the best choice that allows to reduce the porosity of the sample themselves, improving mechanical properties and toughness. Among the lignins, only the Organosolv and Kraft samples were analysed through mechanical testing and the first one showed decisively better mechanical properties. Fibre concentration in the composite showed an increasing trend of the mechanical properties improving up to a maximum percentage of fibres. The fracture surface of cured samples was then examined via scanning electron microscopy and their percentage of crosslinking was estimated via solubilization tests in dimethyl sulfoxide. The successful results have proven the use of succinated lignin as a composite matrix, paving the way for their future use as a renewable alternative to oil–derived resins.

Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare a caratterizzare materiali compositi rinnovabili rinforzati con fibre di carbonio a partire da una miscela termoindurente composta da lignina e resina epossidica. La lignina è una delle biomasse più abbondanti presenti sulla Terra e, inoltre, è una delle risorse di anelli aromatici più accessibile. Per questo lavoro sono state adoperate tre tipologie differenti di lignina, ovvero Soda, Kraft e Organosolv; esse sono state caratterizzate per determinarne la struttura chimica, il numero di gruppi funzionali e quindi la reattività. Per fare ciò i campioni sono stati sottoposti ad analisi quali spettroscopia FTIR, calorimetria a scansione differenziale, analisi termogravimetrica e cromatografia a permeazione di gel. La lignina è stata in primo luogo funzionalizzata con anidride succinica e in seguito è stata aggiunta alla resina epossidica per produrre la matrice del materiale composito. Tra tutte le resine disponibili, è stato deciso di utilizzarne una epossidica, e più precisamente, il bisfenolo a digliciletere grazie alle sue proprietà estremamente performanti. In seguito, è stato deciso di aggiungere alla matrice differenti tipologie di rinforzi al carbonio, tra cui sia fibre continue che discontinue, con lo scopo di aumentare le performance meccaniche del composito. In primo luogo, i risultati mostrano un aumento del numero di gruppi carbossilici nella struttura della lignina in seguito alla succinazione; questo fenomeno è di estrema importanza in quanto i gruppi carbossilici, essendo più reattivi di quelli idrossilici, favoriscono e ottimizzano la reazione con la resina epossidica. Differenti metodi e condizioni di cottura sono stati sperimentati al fine di trovare la scelta migliorare che possa permettere di ridurre la porosità dei campioni stessi, migliorando le proprietà meccaniche e la durezza. Tra tutte le lignine testate, solamente l’Organosolv e la Kraft sono state analizzate per mezzo dei test meccanici e la prima ha mostrato proprietà meccaniche decisamente migliori. La concentrazione di fibre nel composito ha mostrato un trend crescente delle proprietà meccaniche fino ad una massima percentuale di fibre. La superficie di frattura dei campioni è stata esaminata attraverso il microscopio a scansione elettronica e la percentuale di materiale reticolato è stata stimata attraverso test di solubilizzazione in dimetilsolfossido. I soddisfacenti risultati ottenuti hanno evidenziato come possibile l’uso della lignina come matrice per materiali compositi, aprendo così la strada al suo uso futuro in veste resina rinnovabile in alternativa all'uso di materiali derivati dal petrolio.