Resinas de fenol-formaldehído modificadas con ligninas: sintesis, caracterización y modelado matemático

Abstract

Las ligninas son polímeros polifenólicos naturales obtenidos principalmente como subproducto en la industria papelera. En la actualidad, las ligninas se utilizan como reemplazo parcial de fenol que es un recurso no renovable, caro y tóxico; en la formulación de resinas fenólicas. Sin embargo, las ligninas deben ser modificadas químicamente para aumentar su reactividad hacia el formaldehído. En la literatura hay mucha información acerca del uso de resinas fenólicas modificadas con ligninas en adhesivos para la producción de aglomerados. Sin embargo, el uso de resoles modificados con ligninas para obtener laminados de alta presión ha sido escasamente estudiado. Un laminado consiste en una superficie decorativa y un sustrato de papeles del tipo Kraft impregnados con resinas fenólicas. En esta tesis, se emplearon ligninas comerciales provenientes de madera dura (lignosulfonato de sodio y del tipo Kraft) modificadas por hidroximetilación, en la síntesis de resinas fenólicas. Las resinas modificadas se emplearon para producir laminados. El trabajo implicó: i) la modificación de ligninas por hidroximetilación, ii) la caracterización de las ligninas y las ligninas hidroximetiladas por técnicas volumétricas, gravimétricas, espectroscópicas y cromatográficas; iii) el desarrollo de un modelo matemático sobre la hidroximetilación del lignosulfonato de sodio; iv) la síntesis de resinas fenólicas industriales (tradicionales y modificadas), v) la producción y caracterización de laminados (de laboratorio e industriales), incluyendo el análisis dinamomecánico para comparar las condiciones de curado; y la medición del módulo de tracción, resistencia a la flexión biaxial y resistencia a la fractura interlaminar en Modo-I, a fin de evaluar el rendimiento mecánico.

Lignins are natural and renewable polyphenolic polymers obtained mainly as a byproduct from the pulp industry. Nowadays, lignins are used as partial replacement of phenol that it is a non renewable resource, expensive and toxic, in the formulation of phenolic resins. However, lignins must be chemically modified to increase their reactivity toward formaldehyde. In the literature there is a lot of information about the use of phenolic resins modified with lignins as adhesives for the production of wood based composites. However, the use of modified resols for paper impregnation to obtain high pressure laminates has been scarcely studied. A laminate comprises a decorative paper-based surface and a substrate of Kraft-type papers impregnated with phenolic resins. In this thesis, commercial hardwood (sodium lignosulfonate and Kraft-type) lignins were modified by hydroxymethylation and used to replace phenol in phenolic resins. The modified resins were employed to produce laminates. The work involved: i) the modification of lignins by hydroxymethylation, ii) the characterization of lignins and hydroxymethylated lignins by volumetric, gravimetric, spectroscopic and chromatographic techniques; iii) the development of a mathematical model of the hydroxymetylation of sodium lignosulfonate; iv) the synthesis of industrial (conventional and modified) phenolic resins by replacement of different percents of phenol, v) the production and characterization of (laboratory and industrial) laminates including dynamic mechanical analysis to compare conditions of curing and the measurement of tensile modulus, bending strength, biaxial flexural impact strength and Mode-I interlaminar fracture toughness in both processing directions to evaluate the mechanical performance.