Desarrollo de un laminado biobasado de alta presión mediante el reemplazo parcial del fenol con lignina kraft de madera dura: Diseño, optimización y escalado

Abstract

La creciente demanda de materiales sostenibles ha impulsado la búsqueda de alternativas renovables a materias primas fósiles, posicionando a la lignina como un sustituto potencial del fenol en resinas fenólicas. La lignina kraft de eucalipto, subproducto abundante de la industria papelera, presenta similitudes estructurales con el fenol, aunque su baja reactividad requiere procesos de activación para su incorporación en materiales de alto desempeño. Esta Tesis tuvo como objetivo desarrollar un sistema integrado para la valorización de lignina kraft de eucalipto como sustituto parcial de fenol en resinas resol destinadas a laminados de alta presión, abarcando la activación química, síntesis y optimización de resinas lignina–fenol–formaldehído, escalado industrial y evaluación del desempeño final. La hidroximetilación permitió identificar condiciones óptimas de funcionalización (pH 11 y 50 °C), incrementando la reactividad de la lignina y validando el seguimiento cinético mediante espectroscopía UV diferencial, SEC y RMN de 31P. La incorporación de lignina funcionalizada en resinas con 30 % de sustitución de fenol mostró que la prehidroximetilación favorece la conversión de formaldehído, la formación de redes de curado eficientes y mejores propiedades termomecánicas en los laminados. El escalado industrial alcanzó un nivel de madurez tecnológica TRL 7, demostrando la factibilidad de producir resinas, prepregs y laminados en condiciones reales de fabricación. Los materiales obtenidos presentaron buena calidad superficial, menores emisiones de formaldehído y desempeño mecánico comparable a sistemas convencionales. El estudio de mayores sustituciones indicó que un reemplazo del 50 % de fenol ofrece el mejor equilibrio entre procesabilidad y propiedades finales. Los resultados demuestran la viabilidad de emplear lignina kraft funcionalizada como alternativa sostenible para el desarrollo de laminados fenólicos de alto desempeño.

The increasing demand for sustainable materials has driven the search for renewable alternatives to fossil-based raw materials, positioning lignin as a potential substitute for phenol in phenolic resins. Hardwood kraft lignin, an abundant by-product of the pulp and paper industry, presents structural similarities with phenol; however, its low reactivity requires activation processes for its incorporation into high-performance materials. This Thesis aimed to develop an integrated system for the valorization of hardwood kraft lignin as a partial phenol substitute in resol resins for high-pressure laminates, including chemical activation, synthesis and optimization of lignin–phenol–formaldehyde resins, industrial scale-up, and evaluation of the final material performance. Hydroxymethylation allowed the identification of optimal functionalization conditions (pH 11 and 50 °C), increasing lignin reactivity and validating kinetic monitoring through differential UV spectroscopy, SEC, and 31P NMR. The incorporation of functionalized lignin into resins with 30% phenol substitution showed that pre-hydroxymethylation promotes formaldehyde conversion, efficient curing network formation, and improved thermomechanical properties of the laminates. Industrial scale-up reached a technology readiness level TRL 7, demonstrating the feasibility of producing resins, prepregs, and laminates under real manufacturing conditions. The obtained materials exhibited good surface quality, lower formaldehyde emissions, and mechanical performance comparable to conventional systems. Higher substitution levels indicated that 50% phenol replacement provides the best balance between processability and final properties. The results demonstrate the feasibility of using functionalized hardwood kraft lignin as a sustainable alternative for the development of high-performance phenolic laminates.