Development and characterization of lignin-polyolefin thermoplastic compounds

The combination of severe climate change and excessive exploitation of non-renewable resources, with the related issue of resources depletion, made urgent the development of alternative materials able to substitute fossil fuels as prime precursors of plastic materials. Relying on the concept of environmental sustainability, the aim of this thesis work is the development and characterization of thermoplastic compounds with polyolefins, namely polypropylene and polyethylene, and lignin. Lignin, indeed, represents the most abundant naturally occurring source of aromatics on Earth and this is the reason why it is considered as an extremely valuable alternative to petroleum-derived aromatic chemicals. In this work, Kraft and Soda types of lignin were employed and they were both subjected to a thermal treatment mainly to remove moisture and volatile fragments that could be eventually present. In addition to that, a portion of lignin was grinded by ball milling process, to study the influence of a reduced lignin granulometry on blend performances. First of all, thermally treated lignins were characterized by Fourier transformed infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry and scanning electron microscopy in comparison with pristine lignin samples, in order to highlight how thermal treatment affects lignin properties. Subsequently, extrusion of lignin-polyolefin thermoplastic blends was performed by twin screw extruder, while, regarding samples preparation, compression and injection moulding were adopted. The assessment of blends performances was carried out by mechanical testing, differential scanning calorimetry, rheological analysis and scanning electron microscopy. Results show some improvements on samples with powdered starting materials, especially regarding mechanical properties as elongation at break and modulus, together with an apparent beneficial effect on stability towards degradation due to the presence of lignin. Based on these results, lignin proved to be a valuable precursor for the development of new polymeric compounds, offering a more sustainable alternative to the traditional petroleum-based plastic materials. Further research will focus on a more detailed investigation on lignin-matrix compounds, process conditions and on the potential effect of functionalization approaches on lignin surface chemistry and lignin-matrix interfacial interactions, to ultimately achieve high performance biobased thermoplastic materials.

La severità dei cambiamenti climatici e l’eccessivo sfruttamento delle risorse non rinnovabili, al quale è strettamente legato il problema della scarsità delle risorse, ha reso indispensabile l’impiego di materiali alternativi, in grado di sostituire i combustibili fossili come precursori delle materie plastiche. Basandosi sul concetto di sostenibilità ambientale, lo scopo di questo lavoro di tesi è di sviluppare e caratterizzare composti termoplastici a base di polipropilene o polietilene miscelati alla lignina. Infatti, la lignina rappresenta la più abbondante risorsa naturale di anelli aromatici presenti sulla Terra, caratteristica che la rende un’alternativa estremamente valida ai composti aromatici derivanti dal petrolio. In questa tesi, le tipologie di lignina utilizzate sono state Kraft e Soda, entrambe sottoposte ad un trattamento termico con l’intento di rimuovere l’acqua e frammenti volatili eventualmente presenti. Oltre a ciò, una parte della lignina è stata macinata con un trattamento di ball milling, in modo tale da poter studiare l’effetto di una granulometria ridotta della lignina sulle prestazioni delle miscele con le poliolefine. Inizialmente è stata condotta la caratterizzazione delle due tipologie di lignina trattata termicamente attraverso la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, analisi termogravimetrica, calorimetria differenziale a scansione e microscopia a scansione elettronica, paragonandole ai rispettivi campioni di lignina grezza, per evidenziare eventuali modifiche delle proprietà dovute al trattamento termico. In seguito, sono state prodotte le miscele termoplastiche a base di lignina e poliolefine, usando la tecnica l’estrusione con estrusore bivite, mentre per la preparazione dei provini, sono stati adottati sia lo stampaggio a compressione che lo stampaggio ad iniezione. Le prestazioni delle miscele sono state valutate attraverso test meccanici, reologici, morfologici e di analisi termica. I risultati hanno dimostrato che la lignina può assumere un ruolo di stabilizzante termico e di rinforzo, visibile rispettivamente dalle prove reologiche e dalle grandezze di modulo e deformazione a rottura. Basandosi su questi risultati, la lignina ha dato prova di essere una valida alternativa allo sviluppo di nuove materiali, offrendo una soluzione più sostenibile alla tradizionale produzione di materie plastiche derivanti dal petrolio. Ulteriori ricerche verranno focalizzate sui composti polimero-lignina, in particolar modo sulle condizioni di processo e sul potenziale approccio di funzionalizzazione della superficie chimica della lignina e delle interazioni all’interfaccia tra matrice e lignina, allo scopo di ottenere materiali termoplastici bio-derivati ad alte prestazioni.