Modification of lignin for aerogels production

Abstract

Atualmente, a produção de bio aerogéis orgânicos é um tema popular na comunidade científica. No entanto, existem alguns desafios que devem ser superados para alcançar a produção em massa de aerogéis: a toxicidade e o custo dos precursores, o tempo de produção e os custos de fabricação. A lenhina é um bio polímero renovável que pode ser a chave para superar estes desafios, pois não só apresenta propriedades atrativas como biocompatibilidade e biodegradabilidade, mas, melhor ainda, a sua não toxicidade, o baixo custo e a renovabilidade torna-a uma alternativa interessante face aos precursores orgânicos comumente usados.No trabalho desta dissertação, três novas estratégias diferentes foram seguidas para produzir géis/aerogéis à base de lenhina, a partir de lenhina softwood quimicamente modificada. Com este propósito, primeiramente lenhina softwood (Indulin AT) foi quimicamente modificada originando lenhina metracrilada e aminada. A primeira estratégia utilizada para a produção de géis de lenhina foi através da reação tiol-eno (química “click”), onde a lenhina metacrilada reagiu com 1,6-hexanoditiol. No entanto, esta estratégia não teve sucesso na produção de géis. A segunda estratégia utilizada foi através da formação de bases de Schiff entre lenhina aminada (AL) e 2,3-dialdeído celulose (DAC), que apesar de não ter sido totalmente bem-sucedida, mostrou ser um caminho promissor para a produção de bio aerogéis a partir de precursores totalmente orgânicos e renováveis, se mais investigação for feita no futuro. A terceira estratégia realizada foi bem-sucedida e, pela primeira vez, aerogéis de lenhina aminada (AL) e nano fibras de celulose oxidada por TEMPO (TOCN) foram produzidos, utilizando um procedimento simples de mistura e moldagem. Os aerogéis TOCN-AL produzidos foram caracterizados e apresentaram propriedades únicas, nomeadamente densidades “bulk” significativamente baixas (até 11 mg/cm3) e elevadas porosidades (até 98%). Além disso, os aerogéis apresentaram propriedades isolantes atrativas, como baixa condutividade térmica de 0,031 W/m/K, e boa estabilidade térmica demonstrada por TGA. A morfologia dos aerogéis foi investigada por imagens de SEM, onde foi possível observar uma rede de meso poros e macro poros abertos e interligados, e uma elevada área superficial determinada por adsorção de nitrogénio (BET), com resultados variando de 227 m2/g até 432 m2/g.No geral, os aerogéis TOCN-AL que foram obtidos demonstraram excelentes propriedades, apresentando um grande potencial para uma ampla gama de aplicações, cujos limites poderiam ser ainda mais ampliados se os aerogéis fossem totalmente carbonizados, alterando, no geral, as suas propriedades. Um novo procedimento foi utilizado nesta dissertação para produzir os aerogéis biológicos TOCN-AL, que são certamente um material promissor, com um grande potencial para aplicações futuras.

Currently, the production of organic bioaerogels is a hot topic among the scientific community. However, there are some challenges that must be overcome to reach mass production of aerogels: the toxicity and cost of precursors, production time and manufacturing costs. Lignin is a renewable biopolymer that can be the key to overcome these challenges. It not only presents attractive properties such as biocompatibility and biodegradability, but even better, its non-toxicity, low-cost and renewability makes it an interesting alternative to commonly used organic precursors.In this work, three novel different strategies were followed to produce lignin-based gels/aerogels from chemically modified softwood lignin. With this purpose, at first, softwood lignin Indulin AT was chemically modified into methacrylated and aminated lignin. The first strategy utilized for lignin gel production was through thiol-ene click chemistry, by reacting methacrylated lignin with a 1,6-hexanedithiol, which was unsuccessful for gel production. The second strategy utilized was by Schiff-base reaction between aminated lignin (AL) and 2,3-dialdehyde cellulose (DAC), which even though was not completely successful, it showed to be a promising way to produce a bioaerogel made completely from renewable organic precursors if more investigation is made in the future. The third strategy performed was successful, and for the first time, aminated lignin (AL) and TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCN) aerogels were produced, using a simple mixing and mold casting procedure. The produced TOCN-AL aerogels were further characterized and presented unique properties, namely significantly low bulk densities (down to 11 mg/cm3) and high porosities (up to 98%). Furthermore, the aerogels presented attractive insulating properties, with thermal conductivities as low as 0.031 W/m/K, and good thermal stability demonstrated in TGA. The morphology of the aerogels was investigated by SEM imaging, where it was possible to observe a crosslinked network with interconnected open mesopores and macropores, and a high BET surface area determined by nitrogen adsorption, with results ranging from 227 m2/g up to 432 m2/g.Overall, the obtained TOCN-AL aerogels demonstrated excellent properties, displaying a great potential for a large range of applications, which limits could be even further broadened if the aerogels were to be fully carbonized, changing their overall properties. The procedure used is innovative, and the obtained biobased TOCN-AL aerogel is a promising next-generation material.