Plasma treatments on lignin for improved compatibility in lignin-polypropylene compounds

Climate change and plastic pollution are pushing governments and companies to redesign polymers production processes to make them more sustainable and environmentally friendly. The idea of using lignin as an added-value resource in polymeric materials is gaining interest over the years because it would mitigate the problems of resources depletion, greenhouse gases emissions, and dispersion of plastic waste in the environment. Lignin constitutes up to 33% of lignocellulosic biomass in plants and trees and it is a side-product of the paper industry. The annual production of lignin ranges from 500 to 3600 millions of tons and nowadays only 2% of it is used in polymeric materials production. The remaining amount is mostly used as renewable resource-derived fuel. The incorporation of lignin in plastics would meet the sustainability requirements of today’s environmental agreements, being lignin a renewable and biodegradable resource. Several scientific studies have already shown that lignin is a valid candidate as component in plastic products, since it is able to provide good mechanical properties for bulk applications. Although, there are some issues regarding the compatibility of lignin with highly hydrophobic polymers, such as polyolefins, due to the presence of several hydroxyl groups in its chemical structure. This thesis project aims at modifying the surface chemistry of lignin particles to make them more compatible with polyolefins, in order to achieve satisfying miscibility in a polypropylene-lignin blend. Specifically, plasma treatments have been performed on lignin to reduce the hydroxyl groups concentration and/or to graft new active sites on the lignin particles surface. Functionalizing gases, i.e. n-hexane and hexamethyldisiloxane, were also employed during some of the plasma treatments. Plasma treatments are particularly attractive because they are solvent-free, unlike alternative chemical methods for lignin functionalization. The results of the plasma treatments on lignin powders were investigated through Fourier-transformed infrared spectroscopy, solubility tests, differential scanning calorimetry and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The mechanical and chemical properties of the blend, as well as its thermal stability, were studied by tensile tests, rheological tests, differential scanning calorimetry, and thermogravimetric analysis.

Il cambiamento climatico e l’inquinamento da plastica stanno spingendo governi e imprese a modificare i processi di produzione dei materiali polimerici per renderli più sostenibili e per ridurre il loro impatto ambientale. L’idea di utilizzare la lignina come componente in miscele polimeriche col fine di ridurre il problema dell’esaurimento delle risorse, le emissioni di gas serra e la dispersione dei rifiuti di plastica nell’ambiente sta acquistando sempre più interesse nel corso degli anni. La lignina costituisce fino al 33% della biomassa lignocellulosica di piante ed alberi ed è un prodotto di scarto dell’industria della carta. La produzione annuale di lignina oscilla tra i 500 e i 3600 milioni di tonnellate, e attualmente soltanto il 2% è utilizzato nella produzione di materiali polimerici, mentre la restante parte è utilizzata invece come carburante derivante da risorse rinnovabili. L’incorporazione della lignina in materiali polimerici è in linea con i requisiti di sostenibilità presenti negli accordi ambientali odierni, essendo una risorsa rinnovabile e biodegradabile. Diversi studi hanno messo in evidenza che la lignina può essere un valido candidato come componente nei materiali polimerici, essendo in grado di conferire buone proprietà meccaniche. Tuttavia, esistono diversi problemi legati alla sua compatibilità con polimeri altamente idrofobici, quali le poliolefine, a causa della presenza di numerosi gruppi idrossilici nella sua struttura chimica. Questo progetto di tesi ha lo scopo di modificare la chimica di superficie delle particelle di lignina in modo da renderle più compatibili con le poliolefine e, di conseguenza, di facilitare la formazione di miscele polipropilene-lignina. In particolare, la lignina è stata sottoposta a trattamenti al plasma al fine di ridurne la concentrazione di gruppi idrossilici e di introdurre nuovi siti reattivi sulla superficie delle particelle di lignina. Gas funzionalizzanti, quali n-esano ed esametildisilossano, sono stati inoltre talvolta utilizzati durante questi processi. I trattamenti al plasma sono particolarmente attraenti per la funzionalizzazione della lignina in quanto non coinvolgono l’utilizzo di solventi, a differenza dei metodi chimici alternativi a questo processo. Gli effetti dei trattamenti al plasma sulle polveri di lignina sono stati indagati con spettroscopia FT-IR, test di solubilità, calorimetria a scansione differenziale e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Le proprietà chimiche e meccaniche della miscela e la sua stabilità termica sono state studiate tramite prove a trazione, test reologici, calorimetria a scansione differenziale e analisi termogravimetriche.