WO2024239083A1 - Method for obtaining lignin dispersion, lignin dispersion, use of the lignin dispersion, phenolic resin composition with lignin, and use of the phenolic resin composition with lignin - Google Patents
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Definitions
- the present invention belongs to the field of renewable materials and relates to a process for obtaining lignin dispersion, to said lignin dispersion and its respective use, to a composition of phenolic resin with lignin and its respective use.
- the process of the present invention is related to the preparation of lignin dispersion, which directly replaces phenolic resins (resol) with lignin in up to 50% of the resin, while obtaining compositions of phenolic resins with lignin with suitable characteristics of physical-chemical properties for application in the gluing of different wood substrates (for example, plywood, MDF (medium density fiberboard), MDP (medium density particleboard) and OSB (oriented strand board)).
- biomass from lignocellulosic sources has always offered different alternatives, given its wide availability and variety, with the following primary constituents: cellulose, hemicellulose and lignin.
- Lignin should be highlighted, since it can be considered the most abundant aromatic macromolecule from a renewable source in nature, formed from phenylpropane units (basically by random bonds of three monolignol precursors: coniferyl alcohol (guaiacyl), p-coumaryl alcohol (hydroxyphenyl) and sinapyl alcohol (syringyl)).
- Lignin is generally present in the residual fractions generated as secondary streams in carbohydrate-based conversion processes, such as the cellulose and bioethanol industries, and is generally burned to obtain energy. Instead, lignin can be used to manufacture new high-value-added products, improving the sustainability and competitiveness of these lignocellulosic transformation processes (BORRERO-L ⁇ PEZ, 2020).
- lignin refers to the use of this material in phenolic synthesis (KALAMI, 2018; CETIN, 2002). Specifically, its nature phenolic allows this material to be a potential substitute for phenolic products, with greater emphasis in the literature for partial replacement of phenol in the synthesis of phenol-formaldehyde resins.
- lignin is basically formed by aromatic macromolecules, instead of using it as a derivative of phenol synthesis, it can also be used as a substitute for phenol-formaldehyde resins in various applications.
- Phenolic resins are considered prepolymers that need to be cured during the application process in order to become thermosets with adhesive properties. This process for conversion into highly crosslinked products can be promoted without the addition of a curing agent. This is possible due to the presence of hydroxymethylated groups linked to the ring. Thus, only through thermal action does the phenolic system initiate the characteristic curing reactions, and the temperature used varies according to the process in which the resin is being used, as well as the composition of the resole (BORGES, 2004).
- crosslinking refers to reactions in which a large number of individual molecules are linked together to form a three-dimensional network.
- the linking can be achieved by direct configuration of macromolecules or by reaction to existing polymers. This can be easily measured by means of differential scanning calorimetry (DSC).
- lignin when using lignin as a substitute for phenolic resins, for example as an adhesive for wood panels, the efficiency may not be the same, as lignin is a polymer with few positions to promote crosslinking, so this limits the percentage of substitution.
- solubilizing lignin in caustic soda (NaOH) as a way of enabling its use in liquid form results in a mixture with high viscosity and a lower content of active solids, so that it becomes a solid paste and not a liquid that can be added or transported in the product.
- the present invention provides a technical solution to this need through a process for obtaining lignin dispersion and its use in a phenolic resin composition with lignin for application as an adhesive on wood substrates, for example, plywood, MDF, MDP and OSB, in which the phenolic resin compositions with lignin present physicochemical and mechanical properties similar to phenolic resins without lignin.
- the present invention relates to the replacement of a petrochemical adhesive (fossil component) by a renewable and environmentally friendly material as obtained by the process of the present invention.
- Said replacement will consequently provide the technical advantage of reducing the content of free formaldehyde and phenol in the final composition of the phenolic resin material, while maintaining the applicability characteristics of phenolic resins without said replacement.
- the present invention discloses a process for obtaining lignin dispersion, in which said dispersion is produced under alkaline catalysis for application in a phenolic resin composition that will be used as an adhesive in wood substrates or as a binder.
- lignin dispersion directly replaces phenolic resins with lignin.
- the present invention also provides the advantage that the lignin dispersion already has a solids content close to that of the phenolic resin, thus providing greater ease of processing the product, as well as the possibility of a higher level of incorporation of lignin into the resin.
- One embodiment of the invention relates to a process for obtaining lignin dispersion comprising the following steps: a) loading water at room temperature into the reactor; b) adding lignin under stirring; c) adding an alkalizing agent and checking the resulting pH; d) adjusting the pH; e) heat the mixture and let it react; f) carry out distillation under vacuum and at temperature; eg) monitor the viscosity of the mixture.
- Another embodiment of the invention describes a lignin dispersion.
- lignin dispersion to partially replace phenolic resin (resole) with lignin in a mixture of phenolic resin with lignin is described.
- a phenolic resin composition with lignin is described with suitable viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics to be applied in the gluing of different wood substrates (e.g. plywood, MDF, MDP and OSB).
- FIG. 1 illustrates a graph of the viscosity of the acidic lignin dispersion after its production over a period of 30 days.
- FIGS. 2 to 3 illustrate graphs of the viscosity monitoring of phenolic resin mixtures with lignin dispersions produced in different ways, as a function of shelf time at ambient conditions.
- FIG. 4 is a differential scanning calorimetry (DSC) analysis of samples with different levels of phenolic resin substitution by lignin compared to the reference phenolic resin, i.e., without lignin.
- DSC differential scanning calorimetry
- FIG. 5 is a comparative graph of the residual enthalpy of samples with different levels of substitution of phenolic resin by lignin in comparison with the reference phenolic resin, in cold tests or under lignin cooking conditions.
- FIG. 6 is a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR spectra) image of samples with different levels of Kraft lignin incorporation with commercial phenolic resin without curing process.
- FIG. 7 is a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR spectra) image of samples with different levels of Kraft lignin incorporation with commercial phenolic resin after curing process at 154°C.
- the invention relates to a process for obtaining a lignin-based adhesive dispersion for application in a phenolic resin composition, in which the reference phenolic resin is partially replaced in said composition by lignin in a proportion of up to 50%.
- composition should be understood as a mixture of substances, of a solid finely distributed in a liquid.
- phenolic resin composition with lignin is interchangeable with each other and should be understood as the product resulting from the partial replacement of phenolic resin with a lignin dispersion.
- the phenolic resin composition with lignin dispersion of the present invention is used for application as an adhesive on wood substrates or as a binder (“binder 1 '), in which an activated lignin dispersion directly replaces phenolic resins (resol), while maintaining suitable viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics to be applied in the gluing of different wood substrates (e.g. plywood, MDF, MDP and OSB).
- binder 1 ' in which an activated lignin dispersion directly replaces phenolic resins (resol), while maintaining suitable viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics to be applied in the gluing of different wood substrates (e.g. plywood, MDF, MDP and OSB).
- Lignin is originally less crosslinkable than resole, mainly due to its few positions where molecules can be linked to form a three-dimensional network, so that this limits the percentage of substitution.
- the Kraft pulping process provides a more reactive lignin (Kraft lignin), to be added to the process for obtaining lignin dispersion of the present invention.
- this lignin dispersion can be mixed with phenolic resin without presenting problems of increased viscosity, which would make its application unfeasible, since the increase in viscosity would transform the product into a solid paste and not a liquid that can be transported or added to the phenolic resin mixture.
- the technical solution described in the present invention is related to the use of the combined strategy of temperature and distillation under reduced pressure to obtain a lignin dispersion that, when replacing the resole, allows the phenolic resin composition with lignin to be applicable as an adhesive with mechanical and physicochemical properties similar to phenolic resins without said lignin, but with the advantage of comprising a sustainable component partially replacing a fossil component.
- the inventors of the present invention have demonstrated that by distilling and heating the lignin dispersion, the residual curing enthalpy decreases, which provides the technical advantage of applying the phenolic resin and lignin composition as an adhesive in bonding wooden substrates.
- the reduction of residual enthalpy as a result of the process of the present invention complements the crosslinking process (curing process) for transforming the mixture of phenolic resin with lignin described herein into a thermosetting material for application as an adhesive.
- a process for obtaining lignin dispersion in an aqueous and basic medium comprising the following steps: a) loading water at room temperature into the reactor; b) adding lignin under stirring; c) adding an alkalizing agent and checking the resulting pH; d) adjusting the pH; e) heating the mixture and allowing it to react; f) performing distillation under vacuum and temperature; and g) monitoring the viscosity of the mixture.
- the process of obtaining lignin dispersion further comprises the following steps: h) cooling the reaction; and i) unload and screen the resulting material.
- the amount of water loaded in step a) is in the range of 800 to 2,000 g, preferably in the range of 1,000 to 1,900 g, more preferably in the range of 1,100 to 1,800 g.
- the lignin of step b) is selected from the group consisting of powdered lignin, acidic lignin cake, and unwashed lignin cake (alkaline lignin).
- step b) of adding said lignin is carried out under vigorous stirring and homogenization is maintained at room temperature.
- the heating of step e) is maintained by complete dissolution of the lignin.
- the amount of powdered lignin added in step b) is in the range of 800 to 1,100 g, preferably in the range of 900 to 1,000 g, more preferably 966 g.
- step b) of adding said lignin is through dispersion under agitation until a homogeneous paste (“slurry”) is obtained.
- the acidic lignin cake is dispersed in step b) in an amount in the range of 1,300 to 1,700 g, preferably in the range of 1,500 to 1,600 g, more preferably 1,548 g.
- the acid lignin cake has a solids content in the range of 50% to 80%, preferably in the range of 55% to 65%, more preferably 59%.
- the agitation to obtain the homogeneous paste (“slurr”) in step b) is carried out in the range of 1 to 3 hours, preferably 2 hours.
- the agitation of step b) is in the range of 250 to 450 rpm, preferably in the range of 300 to 400 rpm, more preferably 350 rpm.
- homogenization is performed in the range of 20 to 60 minutes, preferably in the range of 25 to 45 minutes, more preferably 30 minutes.
- the alkalizing agent added in step c) is a strong base to adjust the pH to a range of 12.5 to 13.5.
- the strong base is caustic soda (NaOH).
- the pH is adjusted to 13.5 by adding an additional amount of NaOH.
- caustic soda can also be added together with the initial process water.
- caustic soda (NaOH) is used in concentrations of 50% (50% NaOH) or 33% (33% NaOH), or in pellet form. Preferably, 50% NaOH is used.
- heating the mixture in step e) is carried out at a temperature in the range of 40 to 95 ° C, preferably 50 to 85 ° C, more preferably 55 to 80 ° C.
- the reaction time of the mixture after heating is 1 to 3 hours, preferably 2 hours.
- the vacuum distillation step is carried out at a pressure in the range of 150 to 500 mmHg (2.00 x 10 4 to 6.66 x 10 4 Pa), preferably 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa).
- the temperature used in the distillation step is in the range of 60 to 95 ° C, preferably in the range of 65 to 85 ° C, more preferably in the range of 70 to 75 ° C.
- the vacuum and temperature distillation step is carried out until the viscosity of the system is in the range of 100 to 2,500 cP (0.1 to 2.5 Pa.s), preferably in the range of 400 to 1,600 cP (0.4 to 1.6 Pa.s), more preferably in the range of 700 to 1,000 cP (0.7 to 1.0 Pa.s), even more preferably 915 cP (0.915 Pa.s).
- the cooling step is performed to a temperature between 50 and 60 s C.
- the sieving step is performed with a sieve having a mesh size in the range of 60 to 120 mesh.
- a sieve having a mesh size in the range of 60 to 120 mesh.
- a 66, 80 or 100 mesh sieve is used.
- Most preferably, a 66 mesh sieve is used.
- the final dispersion has a solids content in the range of 40% to 55%, preferably 45% to 48%.
- a second embodiment of the invention describes a lignin dispersion obtained by the process according to the first embodiment of the invention.
- the lignin dispersion comprises a solids content in the range of 45 to 50%, pH in the range of 13.0 to 14.0 and viscosity in the range of 900 to 1600 cP (0.9 to 1.6 Pa.s).
- a fourth embodiment of the present invention relates to a composition of phenolic resin with lignin produced under alkaline catalysis according to the process of the present invention for application as an adhesive on wood substrates, in which said lignin directly replaces phenolic resins (resole) with lignin, in up to 50% of the resin.
- the replacement of phenolic resins by lignin is in the range of up to 30% of the resin, or in the range of up to 20% of the resin.
- the lignin is a Kraft lignin, preferably from hardwood.
- a fifth embodiment of the present invention relates to the use of the phenolic resin composition with lignin as an adhesive or binder.
- Example 1 Process for preparing hot dispersion of lignin in aqueous and basic medium
- the process consists of preparing a lignin dispersion in an aqueous and basic medium, which comprises the following steps: a) loading 1,142 g of water at room temperature into the reactor; b) gradually dispersing 1,548 g of acidic lignin cake with a solids content of 59% under stirring for 2 hours, until obtaining a “homogeneous slurry”, which was homogenized for 30 minutes; c) adding 368 g of 50% sodium hydroxide (NaOH) and checking the resulting pH; d) adjusting the pH to 13.5 by adding 100 g of 50% sodium hydroxide (NaOH); e) heating the mixture to a temperature between 50 and 60 s C and allowing it to react for 2 hours; f) carry out distillation under vacuum at a pressure of 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and a temperature of 70 sC ; g) monitor the process until the viscosity of the system is between 700 and 1,600 cP (0.7 to
- Example 2 Process for preparing a powdered lignin dispersion activated by reaction in an aqueous and alkaline medium at temperature
- the process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of lignin within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it
- distillate volume from step h) was measured at a value of 600 ml_.
- Table 1 illustrates the components of the lignin dispersion of example 2:
- Table 2 illustrates the properties of the lignin dispersion from example 2:
- Figure 1 illustrates the viscosity monitoring of the product after its production for a period of 30 days.
- the graph in Figure 1 shows that the product of the present invention is stable over time, that is, it does not have a very short shelf-life. Specifically, said graph indicates that the product can be stored and used after some time.
- Example 3 Process for preparing a lignin dispersion in an aqueous and alkaline medium at a temperature
- the process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of lignin within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it reaches a viscosity between 50 and 1,000 cP (from 0.05 to 1.0 Pa.s); i) cool the reaction to a temperature between 50
- the distillate volume from step h) was measured at a value of 300 ml_.
- Table 3 illustrates the components of the lignin dispersion of example 3:
- Table 4 illustrates the properties of the lignin dispersion from example 3:
- Example 4 Process for preparing a lignin dispersion using lignin cake activated by reaction in an alkaline medium at a temperature
- the process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of acidic lignin cake within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it reaches a viscosity between 400 and 1,600 cP (from 0.4 to 1.6 Pa.s); i) cool the reaction to
- Table 5 indicates the properties of the acid lignin cake from example 4:
- Table 6 illustrates the components of the acidic lignin cake dispersion from Example 4:
- Table 7 illustrates the properties of the acidic lignin cake dispersion from example 4: Table 7 - Properties of the acidic lignin cake dispersion
- Example 5 Partial replacement of the reference phenolic resin by lignin dispersion according to Example 2
- Figure 2 illustrates the evolution of the viscosity of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 2 as a function of shelf time under ambient conditions.
- Table 10 The results of the properties of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 2 are shown in table 10 below:
- Figure 3 illustrates the evolution of the viscosity of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 3 as a function of shelf time under ambient conditions.
- Resol-type phenolic resins applied to wood panels can have a gel time of 6 to 11 minutes.
- the results obtained by replacing resin with lignin are within the range for the desired application for this material.
- Table 13 Brookfield viscosity measured in centipoise (cP) of phenol-formaldehyde resin mixtures with lignin dispersion according to examples 2 and 3 as a function of aging time under ambient conditions
- the resins were applied in the production of composite phenolic plywood panels with 5 industrial Pinus spp. veneers, with dimensions of 500 mm x 500 mm x 3.0 mm (length, width and thickness, respectively), generating a panel with a nominal thickness of 15 mm.
- extender common wheat flour
- water were used, generating a glue mix with a solids content of around 30%.
- thermosetting resin thermosetting resin
- Figure 5 illustrates the results for the analysis of residual enthalpy in J/g of a phenol formaldehyde resin without lignin and of resin mixtures with replacement of said resin with lignin dispersions in increasing amounts (from 5 to 20%) in cold and baking tests.
- Example 8 Evaluation of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR spectra) of the incorporations of lignin adhesive with commercial phenolic resin with different resin replacement levels without curing process
- Figure 6 illustrates the FTIR spectra of the samples of the reference phenolic resin without lignin and of the resin mixtures with lignin at resin replacement levels of 7.5%, 10% and 20%, but without a curing process.
- the IR spectrum of the resin in the initial state has the most intense band. The maximum is recorded at the wavelength close to 3400 cm -1 .
- Figure 7 illustrates the FTIR spectra of the samples of the reference phenolic resin without lignin and of the resin mixtures with lignin at resin replacement levels of 7.5%, 10% and 20%, but with the curing process carried out at 154 ° C.
- 1, 2, 3, 4 and 5 includes, among numerous modalities, 1; 2; 3; 1 and 2; 3 and 5; 1, 3 and 5; and 1, 2, 4 and 5.
- the embodiments described above are merely illustrative and that various modifications may be made by a person skilled in the art to them without departing from the scope of the present invention. Consequently, the present invention should not be considered limited to the exemplary embodiments described in the present application. Furthermore, the present disclosure may include subject matter not currently claimed, but which may be claimed in the future in combination with or separately from the features now claimed.
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Abstract
Description
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE DISPERSÃO DE LIGNINA, DISPERSÃO DE LIGNINA, USO DA DISPERSÃO DE LIGNINA, COMPOSIÇÃO DE RESINA FENÓLICA COM LIGNINA E USO DA COMPOSIÇÃO DE RESINA FENÓLICA COM LIGNINAPROCESS OF OBTAINING LIGNIN DISPERSION, LIGNIN DISPERSION, USE OF LIGNIN DISPERSION, COMPOSITION OF PHENOLIC RESIN WITH LIGNIN AND USE OF COMPOSITION OF PHENOLIC RESIN WITH LIGNIN
CAMPO TÉCNICO TECHNICAL FIELD
[0001] A presente invenção pertence ao campo de materiais renováveis e se refere a um processo de obtenção de dispersão de lignina, à referida dispersão de lignina e seu respectivo uso, a uma composição de resina fenólica com lignina e seu respectivo uso. [0001] The present invention belongs to the field of renewable materials and relates to a process for obtaining lignin dispersion, to said lignin dispersion and its respective use, to a composition of phenolic resin with lignin and its respective use.
[0002] Especificamente, o processo da presente invenção está relacionado à preparação de dispersão de lignina, que substitui diretamente resinas fenólicas (resol) por lignina em até 50% da resina, ao mesmo tempo que se obtém composições de resinas fenólicas com lignina com características adequadas de propriedades físico-químicas para aplicação na colagem de diferentes substratos de madeira (por exemplo, compensado, MDF {“medium density fiberboard’), MDP {“medium density particleboard’) e OSB {“oriented strand board’)). [0002] Specifically, the process of the present invention is related to the preparation of lignin dispersion, which directly replaces phenolic resins (resol) with lignin in up to 50% of the resin, while obtaining compositions of phenolic resins with lignin with suitable characteristics of physical-chemical properties for application in the gluing of different wood substrates (for example, plywood, MDF (medium density fiberboard), MDP (medium density particleboard) and OSB (oriented strand board)).
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO FUNDAMENTALS OF THE INVENTION
[0003] No contexto atual em que a sustentabilidade tem ganhado cada vez mais relevância, tem sido intensificada a busca por materiais de alta qualidade e de fontes renováveis, em que a substituição de componentes fósseis por componentes naturais é particularmente vantajosa. [0003] In the current context in which sustainability has gained increasing relevance, the search for high-quality materials from renewable sources has been intensified, in which the replacement of fossil components with natural components is particularly advantageous.
[0004] Em busca de materiais renováveis, a biomassa oriunda de fontes lignocelulósicas sempre ofereceu diferentes alternativas, dada a ampla disponibilidade e variedade, tendo como constituintes primários: a celulose, hemicelulose e lignina. [0004] In the search for renewable materials, biomass from lignocellulosic sources has always offered different alternatives, given its wide availability and variety, with the following primary constituents: cellulose, hemicellulose and lignin.
[0005] Um destaque deve ser dado à lignina, uma vez que pode ser considerada a macromolécula de natureza aromática de fonte renovável mais abundante na natureza, formada a partir de unidades de fenilpropano (basicamente por ligações randômicas de três precursores monolignol: álcool coniferílico (guaiacil), álcool p-cumarílico (hidroxifenil) e álcool sinapil (siringil)). [0005] Lignin should be highlighted, since it can be considered the most abundant aromatic macromolecule from a renewable source in nature, formed from phenylpropane units (basically by random bonds of three monolignol precursors: coniferyl alcohol (guaiacyl), p-coumaryl alcohol (hydroxyphenyl) and sinapyl alcohol (syringyl)).
[0006] A lignina geralmente está presente nas frações residuais geradas como fluxos secundários nos processos de conversão à base de carboidratos, tais como indústrias de celulose e bioetanol, sendo geralmente queimada para obter energia. Em vez disso, a lignina pode ser usada para a fabricação de novos produtos de alto valor agregado, melhorando a sustentabilidade e competitividade desses processos de transformação lignocelulósica (BORRERO-LÓPEZ, 2020). [0006] Lignin is generally present in the residual fractions generated as secondary streams in carbohydrate-based conversion processes, such as the cellulose and bioethanol industries, and is generally burned to obtain energy. Instead, lignin can be used to manufacture new high-value-added products, improving the sustainability and competitiveness of these lignocellulosic transformation processes (BORRERO-LÓPEZ, 2020).
[0007] Uma das aplicações mais abordadas para a utilização da lignina se refere ao emprego desse material na síntese fenólica (KALAMI, 2018; CETIN, 2002). Especificamente, a sua natureza fenólica permite que este material seja um potencial para substituto de produtos fenólicos, com maior destaque na literatura para substituição parcial do fenol na síntese de resinas fenol- formaldeído. [0007] One of the most discussed applications for the use of lignin refers to the use of this material in phenolic synthesis (KALAMI, 2018; CETIN, 2002). Specifically, its nature phenolic allows this material to be a potential substitute for phenolic products, with greater emphasis in the literature for partial replacement of phenol in the synthesis of phenol-formaldehyde resins.
[0008] Todavia, já foi extensivamente relatado sobre a menor reatividade da lignina em relação ao formaldeído, causada pelo maior impedimento estérico das macromoléculas, menor acessibilidade das posições livres do anel reativo em relação ao formaldeído, menor disponibilidade de sítios aromáticos reativos disponíveis, que são alguns fatores que devem ser considerados no desenvolvimento e limitam a total substituição do fenol pela lignina. Muitos pesquisadores usaram diferentes técnicas de modificação para melhorar a baixa reatividade da lignina em relação ao formaldeído, como: desmetilação, fenolação e metilolação (GORBHANI, 2018). [0008] However, it has been extensively reported about the lower reactivity of lignin towards formaldehyde, caused by the greater steric hindrance of macromolecules, lower accessibility of the free positions of the reactive ring in relation to formaldehyde, lower availability of available reactive aromatic sites, which are some factors that must be considered in the development and limit the total replacement of phenol by lignin. Many researchers have used different modification techniques to improve the low reactivity of lignin towards formaldehyde, such as: demethylation, phenolation and methylolation (GORBHANI, 2018).
[0009] Cabe destacar que existem outras rotas tecnológicas para incorporação de lignina em resinas fenólicas. Uma vez que a lignina é formada basicamente por macromoléculas aromáticas, ao invés de utilizá-la como um derivado da síntese de fenol, pode ser também empregada como substituto de resinas fenol-formaldeído em diversas aplicações. [0009] It is worth noting that there are other technological routes for incorporating lignin into phenolic resins. Since lignin is basically formed by aromatic macromolecules, instead of using it as a derivative of phenol synthesis, it can also be used as a substitute for phenol-formaldehyde resins in various applications.
[0010] As resinas fenólicas são consideradas pré-polímeros que necessitam ser curados durante o processo de aplicação para que se transformem em termorrígidos com propriedades adesivas. Este processo para conversão em produtos altamente reticulados pode ser promovido sem a adição de agente de cura. Isto é possível devido à presença de grupos hidroximetilados ligados ao anel. Deste modo, somente pela ação térmica, o sistema fenólico inicia as reações de cura características, sendo que a temperatura empregada varia de acordo com o processo no qual a resina está sendo utilizada, bem como a composição do resol (BORGES, 2004). [0010] Phenolic resins are considered prepolymers that need to be cured during the application process in order to become thermosets with adhesive properties. This process for conversion into highly crosslinked products can be promoted without the addition of a curing agent. This is possible due to the presence of hydroxymethylated groups linked to the ring. Thus, only through thermal action does the phenolic system initiate the characteristic curing reactions, and the temperature used varies according to the process in which the resin is being used, as well as the composition of the resole (BORGES, 2004).
[001 1 ] Na química macromolecular, a reticulação se refere a reações nas quais um grande número de moléculas individuais é ligado para formar uma rede tridimensional. A ligação pode ser alcançada por configuração direta de macromoléculas ou reação aos polímeros já existentes. Isso pode ser facilmente medido por meio de calorimetria de varredura diferencial (DSC). [001 1 ] In macromolecular chemistry, crosslinking refers to reactions in which a large number of individual molecules are linked together to form a three-dimensional network. The linking can be achieved by direct configuration of macromolecules or by reaction to existing polymers. This can be easily measured by means of differential scanning calorimetry (DSC).
[0012] É importante destacar que a estrutura química da resina fenólica varia de acordo com as diferentes condições de síntese e das proporções dos reagentes, sendo que esta diversidade em sua estrutura química determina a complexidade do processo de cura da resina fenólica. Ao mesmo tempo, a diversidade de espécies da resina fenólica também leva a mecanismos de reação de cura completamente diferentes (PILATO, 2010). [0013] Deste modo, quando lignina é misturada com uma resina fenólica para colagem de substrato, espera-se que os mecanismos de cura e adesão do sistema da mistura sejam diferentes da resina por si só. [0012] It is important to highlight that the chemical structure of the phenolic resin varies according to the different synthesis conditions and the proportions of the reagents, and this diversity in its chemical structure determines the complexity of the phenolic resin curing process. At the same time, the diversity of phenolic resin species also leads to completely different curing reaction mechanisms (PILATO, 2010). [0013] Thus, when lignin is mixed with a phenolic resin for substrate bonding, the curing and adhesion mechanisms of the mixed system are expected to be different from the resin alone.
[0014] Ao se utilizar lignina como um substituto de resinas fenólicas, por exemplo, como adesivo para painéis de madeira, a eficiência pode não ser mesma, pois a lignina é um polímero com poucas posições para promover a reticulação, de modo que isto limita a porcentagem de substituição. [0014] When using lignin as a substitute for phenolic resins, for example as an adhesive for wood panels, the efficiency may not be the same, as lignin is a polymer with few positions to promote crosslinking, so this limits the percentage of substitution.
[0015] De fato, a menor reatividade da lignina em relação ao formaldeído, conforme mencionado acima, impede e desestimula a sua utilização como substituinte do componente fóssil da resina fenólica. [0015] In fact, the lower reactivity of lignin in relation to formaldehyde, as mentioned above, prevents and discourages its use as a substitute for the fossil component of phenolic resin.
[0016] E ainda, a utilização de um material na forma de pó, tal como a lignina Kraft, como substituinte da resina fenólica líquida, se torna um entrave, à medida que acarreta transtornos ou impactos para o usuário final que está acostumado e tem infraestrutura concebida para dosagem em líquido. [0016] Furthermore, the use of a material in powder form, such as Kraft lignin, as a substitute for liquid phenolic resin, becomes an obstacle, as it causes inconvenience or impacts for the end user who is accustomed to and has infrastructure designed for liquid dosing.
[0017] Além disso, a técnica conhecida de solubilização da lignina em soda caústica (NaOH) como uma maneira de viabilizar sua utilização na forma líquida resulta em uma mistura com viscosidade elevada e com um menor teor de sólidos ativos, de modo que vira uma pasta sólida e não um líquido que pode ser adicionado ou transportado no produto. [0017] Furthermore, the known technique of solubilizing lignin in caustic soda (NaOH) as a way of enabling its use in liquid form results in a mixture with high viscosity and a lower content of active solids, so that it becomes a solid paste and not a liquid that can be added or transported in the product.
[0018] Por exemplo, o documento de Yang, M. et al, “Preparation and properties of adhesives based on phenolic resin containing lignin micro and nanoparticles: A comparative study”, Materials and Design, 161 , 55-63, 2019 revela um complexo processo de modificação físico-química da lignina para a sua utilização em uma mistura de resina e lignina em banho de gelo. [0018] For example, the paper by Yang, M. et al, “Preparation and properties of adhesives based on phenolic resin containing lignin micro and nanoparticles: A comparative study”, Materials and Design, 161, 55-63, 2019 reveals a complex process of physicochemical modification of lignin for its use in a mixture of resin and lignin in an ice bath.
[0019] Já o documento de Wang, G. et al, “Carbohydrate elimination of alkaline-extracted lignin liquor by steam explosion and its methylolation for substitution of phenolic adhesive", Industrial Crops and Products, 53, 93-101 , 2014 descreve um processo de ativação da lignina para que ela possa participar do processo de cura do resol, em que a ativação é alcançada através de um tratamento de hidroximetilação da lignina com formol, um reagente tóxico. [0019] The document by Wang, G. et al, “Carbohydrate elimination of alkaline-extracted lignin liquor by steam explosion and its methylolation for substitution of phenolic adhesive", Industrial Crops and Products, 53, 93-101 , 2014 describes a process of activating lignin so that it can participate in the resole curing process, in which activation is achieved through a hydroxymethylation treatment of lignin with formaldehyde, a toxic reagent.
[0020] No entanto, nenhum dos documentos do estado da técnica foi capaz de prover um processo de solubilização da lignina que viabilize sua utilização em composição de resina fenólica, isto é, em que a dispersão de lignina obtida apresente boas características de viscosidade, teor de sólidos e entalpia residual. Essas características garantirão que a lignina possa substituir o resol em uma mistura de resina fenólica, permitindo a cura da dita mistura para a obtenção de um polímero termorrígido com propriedades adesivas. [0021] Assim, considerando que há uma série de desafios relacionados à substituição de resinas fenólicas por materiais renováveis, principalmente no que diz respeito à compatibilidade com outros componentes e à trabalhabilidade do produto final, a obtenção de um produto ambientalmente amigável com características adequadas de propriedades físico-químicas e mecânicas para ser aplicado como adesivo na colagem de diferentes substratos de madeira ou como ligante ainda é um desafio e uma necessidade na técnica. [0020] However, none of the prior art documents were able to provide a lignin solubilization process that enables its use in phenolic resin composition, that is, in which the lignin dispersion obtained presents good viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics. These characteristics will ensure that lignin can replace resole in a phenolic resin mixture, allowing the curing of said mixture to obtain a thermosetting polymer with adhesive properties. [0021] Thus, considering that there are a series of challenges related to the replacement of phenolic resins with renewable materials, mainly with regard to compatibility with other components and the workability of the final product, obtaining an environmentally friendly product with adequate physical-chemical and mechanical properties to be applied as an adhesive in the gluing of different wood substrates or as a binder is still a challenge and a necessity in the technique.
[0022] Portanto, a presente invenção provê uma solução técnica para esta necessidade através de um processo de obtenção de dispersão de lignina e da sua utilização em uma composição de resina fenólica com lignina para aplicação como adesivo em substratos de madeira, por exemplo, compensado, MDF, MDP e OSB, em que as composições de resinas fenólicas com lignina apresentam propriedades físico-químicas e mecânicas similares a resinas fenólicas sem lignina. [0022] Therefore, the present invention provides a technical solution to this need through a process for obtaining lignin dispersion and its use in a phenolic resin composition with lignin for application as an adhesive on wood substrates, for example, plywood, MDF, MDP and OSB, in which the phenolic resin compositions with lignin present physicochemical and mechanical properties similar to phenolic resins without lignin.
[0023] Especificamente, a presente invenção se refere à substituição de um adesivo petroquímico (componente fóssil) por um material de origem renovável e ambientalmente amigável conforme obtido pelo processo da presente invenção. A referida substituição consequentemente proporcionará a vantagem técnica da redução no teor de formol e fenol livres na composição final do material da resina fenólica, mantendo as características de aplicabilidade das resinas fenólicas sem a referida substituição. [0023] Specifically, the present invention relates to the replacement of a petrochemical adhesive (fossil component) by a renewable and environmentally friendly material as obtained by the process of the present invention. Said replacement will consequently provide the technical advantage of reducing the content of free formaldehyde and phenol in the final composition of the phenolic resin material, while maintaining the applicability characteristics of phenolic resins without said replacement.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO SUMMARY OF THE INVENTION
[0024] A presente invenção divulga um processo de obtenção de dispersão de lignina, em que a referida dispersão é produzida sob catálise alcalina para aplicação em uma composição de resina fenólica que será utilizada como adesivo em substratos de madeira ou como ligante. [0024] The present invention discloses a process for obtaining lignin dispersion, in which said dispersion is produced under alkaline catalysis for application in a phenolic resin composition that will be used as an adhesive in wood substrates or as a binder.
[0025] Especificamente, a dispersão de lignina substitui diretamente resinas fenólicas por lignina. [0025] Specifically, lignin dispersion directly replaces phenolic resins with lignin.
[0026] E ainda, a presente invenção também proporciona a vantagem de que a dispersão de lignina já apresenta um teor de sólidos próximo ao da resina fenólica, fornecendo assim maior facilidade de processamento do produto, assim como a possibilidade de um maior teor de incorporação da lignina na resina. [0026] Furthermore, the present invention also provides the advantage that the lignin dispersion already has a solids content close to that of the phenolic resin, thus providing greater ease of processing the product, as well as the possibility of a higher level of incorporation of lignin into the resin.
[0027] Uma modalidade da invenção se remete a um processo de obtenção de dispersão de lignina que compreende as seguintes etapas: a) carregar no reator água em temperatura ambiente; b) adicionar lignina sob agitação; c) adicionar um agente alcalinizante e verificar o pH resultante; d) ajustar o pH; e) aquecer a mistura e deixar reagir; f) realizar destilação sob vácuo e sob temperatura; e g) monitorar a viscosidade da mistura. [0027] One embodiment of the invention relates to a process for obtaining lignin dispersion comprising the following steps: a) loading water at room temperature into the reactor; b) adding lignin under stirring; c) adding an alkalizing agent and checking the resulting pH; d) adjusting the pH; e) heat the mixture and let it react; f) carry out distillation under vacuum and at temperature; eg) monitor the viscosity of the mixture.
[0028] Uma outra modalidade da invenção descreve uma dispersão de lignina. [0028] Another embodiment of the invention describes a lignin dispersion.
[0029] Em uma outra modalidade da invenção, é descrito o uso da dispersão de lignina para substituir parcialmente resina fenólica (resol) por lignina em uma mistura de resina fenólica com lignina. [0029] In another embodiment of the invention, the use of lignin dispersion to partially replace phenolic resin (resole) with lignin in a mixture of phenolic resin with lignin is described.
[0030] Em ainda uma outra modalidade da invenção, é descrita uma composição de resina fenólica com lignina com características adequadas de viscosidade, teor de sólidos e entalpia residual para ser aplicada na colagem de diferentes substratos de madeira (por exemplo, compensado, MDF, MDP e OSB). [0030] In yet another embodiment of the invention, a phenolic resin composition with lignin is described with suitable viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics to be applied in the gluing of different wood substrates (e.g. plywood, MDF, MDP and OSB).
[0031 ] Em uma outra modalidade da invenção, é descrito o uso da composição de resina fenólica com lignina como adesivo ou ligante. [0031] In another embodiment of the invention, the use of the phenolic resin composition with lignin as an adhesive or binder is described.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0032] Para auxiliar na identificação das principais características da presente invenção, são apresentadas algumas figuras as quais se faz referência, conforme se segue: [0032] To assist in identifying the main features of the present invention, some figures are presented to which reference is made, as follows:
[0033] A FIG. 1 ilustra um gráfico de acompanhamento da viscosidade da dispersão de lignina ácida após a sua produção por um período de 30 dias. [0033] FIG. 1 illustrates a graph of the viscosity of the acidic lignin dispersion after its production over a period of 30 days.
[0034] As FIGs. 2 a 3 ilustram gráficos de acompanhamento da viscosidade de misturas de resina fenólica com dispersões de lignina produzidas de diferentes formas, em função do tempo de prateleira em condições ambiente. [0034] FIGS. 2 to 3 illustrate graphs of the viscosity monitoring of phenolic resin mixtures with lignin dispersions produced in different ways, as a function of shelf time at ambient conditions.
[0035] A FIG. 4 é uma análise da calorimetria de varredura diferencial (DSC) de amostras com diferentes teores de substituição da resina fenólica pela lignina em comparação com a resina fenólica de referência, ou seja, sem lignina. [0035] FIG. 4 is a differential scanning calorimetry (DSC) analysis of samples with different levels of phenolic resin substitution by lignin compared to the reference phenolic resin, i.e., without lignin.
[0036] A FIG. 5 é um gráfico comparativo da entalpia residual de amostras com diferentes teores de substituição da resina fenólica pela lignina em comparação com a resina fenólica de referência, em testes a frio ou sob condição de cozimento da lignina. [0036] FIG. 5 is a comparative graph of the residual enthalpy of samples with different levels of substitution of phenolic resin by lignin in comparison with the reference phenolic resin, in cold tests or under lignin cooking conditions.
[0037] A FIG. 6 é uma imagem da Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (espectros de FTIR) de amostras com diferentes teores de incorporação de lignina Kraft com resina fenólica comercial sem processo de cura. [0038] A FIG. 7 é uma imagem da Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (espectros de FTIR) de amostras com diferentes teores de incorporação de lignina Kraft com resina fenólica comercial após processo de cura a 154°C. [0037] FIG. 6 is a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR spectra) image of samples with different levels of Kraft lignin incorporation with commercial phenolic resin without curing process. [0038] FIG. 7 is a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR spectra) image of samples with different levels of Kraft lignin incorporation with commercial phenolic resin after curing process at 154°C.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0039] A invenção se refere a um processo de obtenção de uma dispersão de adesivo à base de lignina para aplicação em composição de resina fenólica, em que a resina fenólica de referência é parcialmente substituída na referida composição pela lignina em uma proporção de até 50%. [0039] The invention relates to a process for obtaining a lignin-based adhesive dispersion for application in a phenolic resin composition, in which the reference phenolic resin is partially replaced in said composition by lignin in a proportion of up to 50%.
[0040] O termo “dispersão” deve ser entendido como uma mistura de substâncias, de um sólido finamente distribuído em um líquido. [0040] The term “dispersion” should be understood as a mixture of substances, of a solid finely distributed in a liquid.
[0041 ] Os termos “composição de resina fenólica com lignina”, “composição de resina fenólica com dispersão de lignina”, “mistura de resina fenol-formaldeído com dispersão de lignina”, “mistura de resina fenólica” e “mistura de resina fenólica com lignina” são intercambiáveis entre si e devem ser entendidos como o produto resultante da substituição parcial de resina fenólica com uma dispersão de lignina. [0041] The terms “phenolic resin composition with lignin”, “phenolic resin composition with lignin dispersion”, “phenol-formaldehyde resin mixture with lignin dispersion”, “phenolic resin mixture” and “phenolic resin mixture with lignin” are interchangeable with each other and should be understood as the product resulting from the partial replacement of phenolic resin with a lignin dispersion.
[0042] Especificamente, a composição de resina fenólica com dispersão de lignina da presente invenção é utilizada para aplicação como adesivo em substratos de madeira ou como ligante (“binder1’), em que uma dispersão de lignina ativada substitui diretamente resinas fenólicas (resol), ao mesmo tempo que mantém características adequadas de viscosidade, teor de sólidos e entalpia residual para ser aplicada na colagem de diferentes substratos de madeira (por exemplo, compensado, MDF, MDP e OSB). [0042] Specifically, the phenolic resin composition with lignin dispersion of the present invention is used for application as an adhesive on wood substrates or as a binder (“binder 1 '), in which an activated lignin dispersion directly replaces phenolic resins (resol), while maintaining suitable viscosity, solids content and residual enthalpy characteristics to be applied in the gluing of different wood substrates (e.g. plywood, MDF, MDP and OSB).
[0043] A lignina é originalmente menos reticulável do que o resol, principalmente devido às suas poucas posições em que as moléculas podem ser ligadas para formar uma rede tridimensional, de modo que isto limita a porcentagem de substituição. Assim, o processo de polpação Kraft proporciona uma lignina mais reativa (lignina Kraft), para ser adicionada ao processo de obtenção de dispersão de lignina da presente invenção. [0043] Lignin is originally less crosslinkable than resole, mainly due to its few positions where molecules can be linked to form a three-dimensional network, so that this limits the percentage of substitution. Thus, the Kraft pulping process provides a more reactive lignin (Kraft lignin), to be added to the process for obtaining lignin dispersion of the present invention.
[0044] Apesar da conhecida dificuldade relacionada ao aumento da viscosidade no processo de solubilização da lignina em hidróxido de sódio (NaOH), os inventores da presente invenção inesperadamente foram capazes de obter um método que combina aplicação de vácuo (pressão) e temperatura durante a preparação de uma dispersão de lignina para aplicação em uma mistura de resina fenólica com lignina, em que as propriedades do produto final são impactadas positivamente, permitindo maior flexibilidade na aplicação em razão do controle da viscosidade e um teor de sólidos elevado. [0045] Quando é utilizada a solução técnica descrita no presente pedido envolvendo toda uma sequência de etapas e uso da temperatura com vácuo, essa dispersão de lignina é passível de ser misturada com resina fenólica sem apresentar problemas de aumento de viscosidade, o que inviabilizaria sua aplicação, uma vez que o aumento da viscosidade transformaria o produto em uma pasta sólida e não um líquido que pode ser transportado ou adicionado na mistura de resina fenólica. [0044] Despite the known difficulty related to the increase in viscosity in the process of solubilizing lignin in sodium hydroxide (NaOH), the inventors of the present invention were unexpectedly able to obtain a method that combines the application of vacuum (pressure) and temperature during the preparation of a lignin dispersion for application in a mixture of phenolic resin with lignin, in which the properties of the final product are positively impacted, allowing greater flexibility in the application due to the control of viscosity and a high solids content. [0045] When the technical solution described in this application is used, involving a whole sequence of steps and use of temperature with vacuum, this lignin dispersion can be mixed with phenolic resin without presenting problems of increased viscosity, which would make its application unfeasible, since the increase in viscosity would transform the product into a solid paste and not a liquid that can be transported or added to the phenolic resin mixture.
[0046] Ou seja, a solução técnica descrita na presente invenção está relacionada ao uso da estratégia combinada de temperatura e destilação sob pressão reduzida para obter uma dispersão de lignina que, ao substituir o resol, permita que a composição de resina fenólica com lignina seja aplicável como um adesivo com propriedades mecânicas e físico-químicas similares a resinas fenólicas sem a dita lignina, mas com a vantagem de compreender um componente sustentável substituindo parcialmente um componente fóssil. [0046] That is, the technical solution described in the present invention is related to the use of the combined strategy of temperature and distillation under reduced pressure to obtain a lignin dispersion that, when replacing the resole, allows the phenolic resin composition with lignin to be applicable as an adhesive with mechanical and physicochemical properties similar to phenolic resins without said lignin, but with the advantage of comprising a sustainable component partially replacing a fossil component.
[0047] De forma surpreendente, os inventores da presente invenção demonstraram que ao realizar a destilação e aquecimento da dispersão de lignina, a entalpia residual de cura diminui, o que proporciona a vantagem técnica de aplicação da composição de resina fenólica e lignina como adesivo na colagem de substratos de madeira. [0047] Surprisingly, the inventors of the present invention have demonstrated that by distilling and heating the lignin dispersion, the residual curing enthalpy decreases, which provides the technical advantage of applying the phenolic resin and lignin composition as an adhesive in bonding wooden substrates.
[0048] De fato, a diminuição da entalpia residual em consequência do processo da presente invenção complementa o processo de reticulação (processo de cura) para transformação da mistura de resina fenólica com lignina ora descrita em um material termorrígido para aplicação como adesivo. [0048] In fact, the reduction of residual enthalpy as a result of the process of the present invention complements the crosslinking process (curing process) for transforming the mixture of phenolic resin with lignin described herein into a thermosetting material for application as an adhesive.
[0049] Em uma primeira concretização, é revelado um processo de obtenção de dispersão de lignina em meio aquoso e básico que compreende as seguintes etapas: a) carregar no reator água em temperatura ambiente; b) adicionar lignina sob agitação; c) adicionar um agente alcalinizante e verificar o pH resultante; d) ajustar o pH; e) aquecer a mistura e deixar reagir; f) realizar destilação sob vácuo e temperatura; e g) monitorar a viscosidade da mistura. [0049] In a first embodiment, a process for obtaining lignin dispersion in an aqueous and basic medium is disclosed, comprising the following steps: a) loading water at room temperature into the reactor; b) adding lignin under stirring; c) adding an alkalizing agent and checking the resulting pH; d) adjusting the pH; e) heating the mixture and allowing it to react; f) performing distillation under vacuum and temperature; and g) monitoring the viscosity of the mixture.
[0050] Opcionalmente, o processo de obtenção de dispersão de lignina compreende ainda as seguintes etapas: h) resfriar a reação; e i) descarregar e peneirar o material resultante. [0050] Optionally, the process of obtaining lignin dispersion further comprises the following steps: h) cooling the reaction; and i) unload and screen the resulting material.
[0051] Em algumas concretizações, a quantidade de água carregada na etapa a) está na faixa de 800 a 2.000 g, preferencialmente na faixa de 1 .000 a 1 .900 g, mais preferencialmente na faixa de 1.100 a 1.800 g. [0051] In some embodiments, the amount of water loaded in step a) is in the range of 800 to 2,000 g, preferably in the range of 1,000 to 1,900 g, more preferably in the range of 1,100 to 1,800 g.
[0052] Em algumas concretizações, a lignina da etapa b) é selecionada a partir do grupo consistindo em lignina em pó, torta de lignina ácida e torta de lignina sem lavagem (lignina alcalina). [0052] In some embodiments, the lignin of step b) is selected from the group consisting of powdered lignin, acidic lignin cake, and unwashed lignin cake (alkaline lignin).
[0053] Quando a lignina está sob a forma de lignina em pó, a etapa b) de adição da referida lignina é sob agitação vigorosa e é mantida a homogeneização em temperatura ambiente. Além disso, é mantido o aquecimento da etapa e) por dissolução completa da lignina. [0053] When the lignin is in the form of powdered lignin, step b) of adding said lignin is carried out under vigorous stirring and homogenization is maintained at room temperature. In addition, the heating of step e) is maintained by complete dissolution of the lignin.
[0054] Em algumas concretizações a quantidade de lignina em pó adicionada na etapa b) está na faixa de 800 a 1 .100 g, preferencialmente na faixa de 900 a 1 .000 g, mais preferencialmente 966 g. [0054] In some embodiments the amount of powdered lignin added in step b) is in the range of 800 to 1,100 g, preferably in the range of 900 to 1,000 g, more preferably 966 g.
[0055] Quando a lignina está sob a forma de torta de lignina ácida ou torta sem lavagem, a etapa b) de adição da referida lignina é através da dispersão sob agitação até obtenção de uma pasta (“slun ) homogênea. [0055] When the lignin is in the form of acid lignin cake or unwashed cake, step b) of adding said lignin is through dispersion under agitation until a homogeneous paste (“slurry”) is obtained.
[0056] Em algumas concretizações, a torta de lignina ácida é dispersada na etapa b), em uma quantidade na faixa de 1.300 a 1.700 g, preferencialmente na faixa de 1.500 a 1.600 g, mais preferencialmente 1 .548 g. [0056] In some embodiments, the acidic lignin cake is dispersed in step b) in an amount in the range of 1,300 to 1,700 g, preferably in the range of 1,500 to 1,600 g, more preferably 1,548 g.
[0057] Em algumas concretizações, a torta de lignina ácida possui teor de sólidos na faixa de 50% a 80%, preferencialmente na faixa de 55% a 65%, mais preferencialmente 59%. [0057] In some embodiments, the acid lignin cake has a solids content in the range of 50% to 80%, preferably in the range of 55% to 65%, more preferably 59%.
[0058] Em algumas concretizações, a agitação para obtenção da pasta homogência (“slurr ) na etapa b) é realizada na faixa de 1 a 3 horas, preferencialmente 2 horas. [0058] In some embodiments, the agitation to obtain the homogeneous paste (“slurr”) in step b) is carried out in the range of 1 to 3 hours, preferably 2 hours.
[0059] Em algumas concretizações, a agitação da etapa b) está na faixa de 250 a 450 rpm, preferencialmente na faixa de 300 a 400 rpm, mais preferencialmente 350 rpm. [0059] In some embodiments, the agitation of step b) is in the range of 250 to 450 rpm, preferably in the range of 300 to 400 rpm, more preferably 350 rpm.
[0060] Em algumas concretizações, a homogeneização é realizada na faixa de 20 a 60 minutos, preferencialmente na faixa de 25 a 45 minutos, mais preferencialmente 30 minutos. [0060] In some embodiments, homogenization is performed in the range of 20 to 60 minutes, preferably in the range of 25 to 45 minutes, more preferably 30 minutes.
[0061] Em algumas concretizações, o agente alcalinizante adicionado na etapa c) é uma base forte para ajustar o pH até uma faixa de 12,5 a 13,5. Preferencialmente, a base forte é soda cáustica (NaOH). Nas concretizações em que a adição do NaOH não é suficiente para deixar o pH no intervalo de 13,0 +/- 0,5, o pH é ajustado para 13,5 com a adição de uma quantidade adicional de NaOH. [0062] Opcionalmente, a soda cáustica também pode ser adicionada junto com a água inicial do processo. [0061] In some embodiments, the alkalizing agent added in step c) is a strong base to adjust the pH to a range of 12.5 to 13.5. Preferably, the strong base is caustic soda (NaOH). In embodiments where the addition of NaOH is not sufficient to bring the pH into the range of 13.0 +/- 0.5, the pH is adjusted to 13.5 by adding an additional amount of NaOH. [0062] Optionally, caustic soda can also be added together with the initial process water.
[0063] Em algumas concretizações, a soda cáustica (NaOH) é utilizada nas concentrações de 50% (NaOH 50%) ou 33% (NaOH 33%), ou na forma de pellets. Preferencialmente, é utilizado NaOH 50%. [0063] In some embodiments, caustic soda (NaOH) is used in concentrations of 50% (50% NaOH) or 33% (33% NaOH), or in pellet form. Preferably, 50% NaOH is used.
[0064] Em algumas concretizações, o aquecimento da mistura na etapa e) é realizado a uma temperatura na faixa de 40 a 95SC, preferencialmente de 50 a 85SC, mais preferencialmente de 55 a 80sC. O tempo de reação da mistura após o aquecimento é de 1 a 3 horas, preferencialmente 2 horas. [0064] In some embodiments, heating the mixture in step e) is carried out at a temperature in the range of 40 to 95 ° C, preferably 50 to 85 ° C, more preferably 55 to 80 ° C. The reaction time of the mixture after heating is 1 to 3 hours, preferably 2 hours.
[0065] Em algumas concretizações, a etapa de destilação sob vácuo é realizada a uma pressão na faixa de 150 a 500 mmHg (de 2,00 x 104 a 6,66 x 104 Pa), preferencialmente 200 mmHg (2,67 x 104 Pa). Por sua vez, a temperatura usada na etapa de destilação está na faixa de 60 a 95SC, preferencialmente na faixa de 65 a 85SC, mais preferencialmente na faixa de 70 a 75SC. [0065] In some embodiments, the vacuum distillation step is carried out at a pressure in the range of 150 to 500 mmHg (2.00 x 10 4 to 6.66 x 10 4 Pa), preferably 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa). In turn, the temperature used in the distillation step is in the range of 60 to 95 ° C, preferably in the range of 65 to 85 ° C, more preferably in the range of 70 to 75 ° C.
[0066] Em algumas concretizações, a etapa de destilação sob vácuo e sob temperatura é realizada até que a viscosidade do sistema está na faixa de 100 a 2.500 cP (de 0,1 a 2,5 Pa.s), preferencialmente na faixa de 400 a 1 .600 cP (de 0,4 a 1 ,6 Pa.s), mais preferencialmente na faixa de 700 a 1 .000 cP (de 0,7 a 1 ,0 Pa.s), ainda mais preferencialmente 915 cP (0,915 Pa.s). [0066] In some embodiments, the vacuum and temperature distillation step is carried out until the viscosity of the system is in the range of 100 to 2,500 cP (0.1 to 2.5 Pa.s), preferably in the range of 400 to 1,600 cP (0.4 to 1.6 Pa.s), more preferably in the range of 700 to 1,000 cP (0.7 to 1.0 Pa.s), even more preferably 915 cP (0.915 Pa.s).
[0067] Em algumas concretizações, a etapa de resfriamento é realizada até uma temperatura entre 50 e 60sC. [0067] In some embodiments, the cooling step is performed to a temperature between 50 and 60 s C.
[0068] Em algumas concretizações, a etapa de peneira é realizada com uma peneira com mesh na faixa de 60 a 120 mesh. Preferencialmente, é utilizada uma peneira de 66, 80 ou 100 mesh. Mais preferencialmente, é usada uma peneira de 66 mesh. [0068] In some embodiments, the sieving step is performed with a sieve having a mesh size in the range of 60 to 120 mesh. Preferably, a 66, 80 or 100 mesh sieve is used. Most preferably, a 66 mesh sieve is used.
[0069] Após a realização do processo, a dispersão final apresenta um teor de sólidos na faixa de 40% a 55%, preferencialmente de 45% a 48%. [0069] After carrying out the process, the final dispersion has a solids content in the range of 40% to 55%, preferably 45% to 48%.
[0070] Uma segunda modalidade da invenção descreve uma dispersão de lignina obtida pelo processo de acordo com a primeira concretização da invenção. Em uma concretização particularmente preferida, a dispersão de lignina compreende um teor de sólidos na faixa de 45 a 50%, pH na faixa de 13,0 a 14,0 e viscosidade na faixa de 900 a 1600 cP (de 0,9 a 1 ,6 Pa.s). [0070] A second embodiment of the invention describes a lignin dispersion obtained by the process according to the first embodiment of the invention. In a particularly preferred embodiment, the lignin dispersion comprises a solids content in the range of 45 to 50%, pH in the range of 13.0 to 14.0 and viscosity in the range of 900 to 1600 cP (0.9 to 1.6 Pa.s).
[0071] Em uma terceira concretização da invenção, é descrito o uso da dispersão de lignina para substituir parcialmente resina fenólica (resol) por lignina em uma mistura de resina fenólica com lignina. [0072] Uma quarta concretização da presente invenção refere-se a uma composição de resina fenólica com lignina produzida sob catálise alcalina conforme o processo da presente invenção para aplicação como adesivo em substratos de madeira, em que a referida lignina substitui diretamente resinas fenólicas (resol) por lignina, em até 50% da resina. [0071] In a third embodiment of the invention, the use of lignin dispersion to partially replace phenolic resin (resole) with lignin in a phenolic resin-lignin mixture is described. [0072] A fourth embodiment of the present invention relates to a composition of phenolic resin with lignin produced under alkaline catalysis according to the process of the present invention for application as an adhesive on wood substrates, in which said lignin directly replaces phenolic resins (resole) with lignin, in up to 50% of the resin.
[0073] Opcionalmente, a substituição de resinas fenólicas por lignina está na faixa de até 30% da resina, ou na faixa de até 20% de resina. [0073] Optionally, the replacement of phenolic resins by lignin is in the range of up to 30% of the resin, or in the range of up to 20% of the resin.
[0074] Em algumas concretizações, a lignina é uma lignina Kraft, preferencialmente de madeira de fibras curtas (“hardwood”). [0074] In some embodiments, the lignin is a Kraft lignin, preferably from hardwood.
[0075] Uma quinta concretização da presente invenção refere-se ao uso da composição de resina fenólica com lignina como adesivo ou ligante. [0075] A fifth embodiment of the present invention relates to the use of the phenolic resin composition with lignin as an adhesive or binder.
EXEMPLOS EXAMPLES
[0076] Os exemplos a seguir, descritos detalhadamente, servem para ilustrar concretizações da presente invenção sem possuir, porém, caráter limitativo ao escopo de proteção desta. [0076] The following examples, described in detail, serve to illustrate embodiments of the present invention without, however, having a limiting character to the scope of protection thereof.
Exemplo 1 - Processo de preparação de dispersão a quente de lignina em meio aquoso e básico Example 1 - Process for preparing hot dispersion of lignin in aqueous and basic medium
[0077] O processo consiste na preparação de dispersão de lignina em meio aquoso e básico que compreende as seguintes etapas: a) carregar no reator 1 .142 g de água em temperatura ambiente; b) dispersar aos poucos 1.548 g de torta de lignina ácida com teor de sólidos de 59% sob agitação por 2 horas, até a obtenção de “slurry homogêneo”, que foi homogeneizado por 30 minutos; c) adicionar 368 g de hidróxido de sódio (NaOH) 50% e verificar o pH resultante; d) ajustar o pH para 13,5 com adição de 100 g de hidróxido de sódio (NaOH) 50%; e) aquecer a mistura a uma temperatura entre 50 e 60sC e deixar reagir por 2 horas; f) realizar destilação sob vácuo a uma pressão de 200 mmHg (2,67 x 104 Pa) e uma temperatura de 70sC; g) acompanhar o processo até que a viscosidade do sistema esteja entre 700 e 1 .600 cP (de 0,7 a 1 ,6 Pa.s). [0077] The process consists of preparing a lignin dispersion in an aqueous and basic medium, which comprises the following steps: a) loading 1,142 g of water at room temperature into the reactor; b) gradually dispersing 1,548 g of acidic lignin cake with a solids content of 59% under stirring for 2 hours, until obtaining a “homogeneous slurry”, which was homogenized for 30 minutes; c) adding 368 g of 50% sodium hydroxide (NaOH) and checking the resulting pH; d) adjusting the pH to 13.5 by adding 100 g of 50% sodium hydroxide (NaOH); e) heating the mixture to a temperature between 50 and 60 s C and allowing it to react for 2 hours; f) carry out distillation under vacuum at a pressure of 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and a temperature of 70 sC ; g) monitor the process until the viscosity of the system is between 700 and 1,600 cP (0.7 to 1.6 Pa.s).
Exemplo 2 - Processo de preparação de uma dispersão de lignina em pó ativada por reação em meio aquoso e alcalino com temperatura [0078] O processo consiste na preparação de dispersão alcalina de lignina ácida que compreende as seguintes etapas: a) adicionar no reator 1 .725 g de água em temperatura ambiente; b) adicionar 966 g de lignina em até duas horas, com agitação vigorosa de 350 rpm; c) manter a homogeneização por 30 minutos em temperatura ambiente; d) adicionar 367 g de soda cáustica (NaOH) 50%; e) medir o pH da solução e ajustar com mais adição de soda cáustica para que o pH fique entre 13,0 e 13,5; f) aquecer a reação a uma temperatura entre 55 e 80°C; g) manter aquecimento por dissolução completa da lignina por 2 horas; h) realizar aplicação de vácuo a 200 mmHg (2,67 x 104 Pa) e destilar solução na temperatura entre 70 e 85°C até atingir viscosidade entre 100 e 2.500 cP (de 0,1 a 2,5 Pa.s); i) resfriar a reação até uma temperatura entre 50 e 60°C; j) descarregar e peneirar o material resultante com peneira de 66 mesh; e k) realizar análises do material. Example 2 - Process for preparing a powdered lignin dispersion activated by reaction in an aqueous and alkaline medium at temperature [0078] The process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of lignin within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it reaches a viscosity between 100 and 2,500 cP (from 0.1 to 2.5 Pa.s); i) cool the reaction to a temperature between 50 and 60°C; j) discharge and sieve the resulting material with a 66 mesh sieve; and k) perform analyses of the material.
[0079] Neste exemplo, o volume de destilado da etapa h) foi medido em um valor de 600 ml_. [0079] In this example, the distillate volume from step h) was measured at a value of 600 ml_.
[0080] A tabela 1 ilustra os componentes da dispersão de lignina do exemplo 2: [0080] Table 1 illustrates the components of the lignin dispersion of example 2:
Tabela 1 - componentes da dispersão de lignina Table 1 - components of lignin dispersion
[0081] A tabela 2 ilustra as propriedades da dispersão de lignina do exemplo 2: [0081] Table 2 illustrates the properties of the lignin dispersion from example 2:
Tabela 2 - propriedades da dispersão de lignina [0082] A Figura 1 ilustra o acompanhamento de viscosidade do produto após sua produção por um período de 30 dias. Table 2 - lignin dispersion properties [0082] Figure 1 illustrates the viscosity monitoring of the product after its production for a period of 30 days.
[0083] O gráfico da Figura 1 mostra que o produto da presente invenção é estável ao longo do tempo, isto é, não tem um shelf-life (tempo de prateleira) muito curto. Especificamente, o referido gráfico indica que o produto pode ser armazenado e utilizado depois de algum tempo. [0083] The graph in Figure 1 shows that the product of the present invention is stable over time, that is, it does not have a very short shelf-life. Specifically, said graph indicates that the product can be stored and used after some time.
[0084] Além disso, a viscosidade do produto não cresce de forma exponencial, o que inviabilizaria o uso do produto, e também não se verificou a formação de precipitado. [0084] Furthermore, the viscosity of the product does not increase exponentially, which would make the use of the product unfeasible, and no precipitate formation was observed.
Exemplo 3 - Processo de preparação de uma dispersão de lignina em meio aquoso e alcalino com temperatura Example 3 - Process for preparing a lignin dispersion in an aqueous and alkaline medium at a temperature
[0085] O processo consiste na preparação de dispersão alcalina de lignina ácida que compreende as seguintes etapas: a) adicionar no reator 1 .725 g de água em temperatura ambiente; b) adicionar 966 g de lignina em até duas horas, com agitação vigorosa de 350 rpm; c) manter a homogeneização por 30 minutos em temperatura ambiente; d) adicionar 367 g de soda cáustica (NaOH) 50%; e) medir o pH da solução e ajustar com mais adição de soda cáustica para que o pH fique entre 13,0 e 13,5; f) aquecer a reação a uma temperatura entre 55 e 80°C; g) manter aquecimento por dissolução completa da lignina por 2 horas; h) realizar aplicação de vácuo a 200 mmHg (2,67 x 104 Pa) e destilar solução na temperatura entre 70 e 85°C até atingir viscosidade entre 50 e 1 .000 cP (de 0,05 a 1 ,0 Pa.s); i) resfriar a reação até uma temperatura entre 50 e 60°C; j) descarregar e peneirar o material resultante com peneira de 66 mesh; e k) realizar análises do material. [0085] The process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of lignin within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it reaches a viscosity between 50 and 1,000 cP (from 0.05 to 1.0 Pa.s); i) cool the reaction to a temperature between 50 and 60°C; j) discharge and sieve the resulting material with a 66 mesh sieve; and k) perform analyses of the material.
[0086] Neste exemplo, o volume de destilado da etapa h) foi medido em um valor de 300 ml_. [0086] In this example, the distillate volume from step h) was measured at a value of 300 ml_.
[0087] A tabela 3 ilustra os componentes da dispersão de lignina do exemplo 3: [0087] Table 3 illustrates the components of the lignin dispersion of example 3:
Tabela 3 - componentes da dispersão de lignina Table 3 - components of lignin dispersion
[0088] A tabela 4 ilustra as propriedades da dispersão de lignina do exemplo 3: [0088] Table 4 illustrates the properties of the lignin dispersion from example 3:
Tabela 4 - propriedades da dispersão de lignina Table 4 - lignin dispersion properties
[0089] Ou seja, a partir da mesma quantidade de matérias-primas foram produzidas duas especificações distintas de dispersão de lignina modificada pelo processo descrito. [0089] In other words, two distinct specifications of lignin dispersion modified by the process described were produced from the same quantity of raw materials.
Exemplo 4 - Processo de preparação de uma dispersão de lignina utilizando torta de lignina ativada por reação em meio alcalino com temperatura Example 4 - Process for preparing a lignin dispersion using lignin cake activated by reaction in an alkaline medium at a temperature
[0090] O processo consiste na preparação de dispersão alcalina de lignina ácida que compreende as seguintes etapas: a) adicionar no reator 1 .725 g de água em temperatura ambiente; b) adicionar 966 g de torta de lignina ácida em até duas horas, com agitação vigorosa de 350 rpm; c) manter a homogeneização por 30 minutos em temperatura ambiente; d) adicionar 367 g de soda cáustica (NaOH) 50%; e) medir o pH da solução e ajustar com mais adição de soda cáustica para que o pH fique entre 13,0 e 13,5; f) aquecer a reação a uma temperatura entre 55 e 80°C; g) manter aquecimento por dissolução completa da lignina por 2 horas; h) realizar aplicação de vácuo a 200 mmHg (2,67 x 104 Pa) e destilar solução na temperatura entre 70 e 85°C até atingir viscosidade entre 400 e 1 .600 cP (de 0,4 a 1 ,6 Pa.s); i) resfriar a reação até uma temperatura entre 50 e 60°C; j) descarregar e peneirar o material resultante com peneira de 66 mesh; e k) realizar análises do material. [0090] The process consists of preparing an alkaline dispersion of acidic lignin, which comprises the following steps: a) adding 1,725 g of water at room temperature to the reactor; b) adding 966 g of acidic lignin cake within two hours, with vigorous stirring at 350 rpm; c) maintaining homogenization for 30 minutes at room temperature; d) adding 367 g of caustic soda (NaOH) 50%; e) measuring the pH of the solution and adjusting it with further addition of caustic soda so that the pH is between 13.0 and 13.5; f) heating the reaction to a temperature between 55 and 80°C; g) maintaining heating for complete dissolution of the lignin for 2 hours; h) apply a vacuum to 200 mmHg (2.67 x 10 4 Pa) and distill the solution at a temperature between 70 and 85°C until it reaches a viscosity between 400 and 1,600 cP (from 0.4 to 1.6 Pa.s); i) cool the reaction to a temperature between 50 and 60°C; j) discharge and sieve the resulting material with a 66 mesh sieve; and k) perform analyses of the material.
[0091] A tabela 5 indica as propriedades da torta de lignina ácida do exemplo 4: [0091] Table 5 indicates the properties of the acid lignin cake from example 4:
Tabela 5 - propriedades da torta de lignina ácida Table 5 - Properties of acid lignin cake
[0092] A tabela 6 ilustra os componentes da dispersão de torta de lignina ácida do exemplo 4:[0092] Table 6 illustrates the components of the acidic lignin cake dispersion from Example 4:
Tabela 6 - componentes da dispersão de torta de lignina ácida Table 6 - Components of acidic lignin cake dispersion
[0093] A tabela 7 ilustra as propriedades da dispersão de torta de lignina ácida do exemplo 4: Tabela 7 - propriedades da dispersão de torta de lignina ácida [0093] Table 7 illustrates the properties of the acidic lignin cake dispersion from example 4: Table 7 - Properties of the acidic lignin cake dispersion
Exemplo 5 - Substituição parcial da resina fenólica de referência pela dispersão de lignina segundo o Exemplo 2 Example 5 - Partial replacement of the reference phenolic resin by lignin dispersion according to Example 2
[0094] Para a substituição parcial da resina fenólica de referência pela dispersão de lignina, utilizou- se uma resina fenol-formaldeído (resina de referência) com as seguintes propriedades indicadas na tabela 8. [0094] For the partial replacement of the reference phenolic resin by the lignin dispersion, a phenol-formaldehyde resin (reference resin) was used with the following properties indicated in Table 8.
Tabela 8 - propriedades da resina fenol-formaldeído Table 8 - properties of phenol-formaldehyde resin
[0095] Especificamente, foram utilizados os seguintes teores de substituição da resina pela lignina: 7,5%, 10% e 20% em substituição de sólidos ativos. [0095] Specifically, the following levels of resin replacement by lignin were used: 7.5%, 10% and 20% as replacement of active solids.
[0096] Os resultados das propriedades da resina de referência e das resinas levando os teores de substituição de sólidos estão indicados na tabela 9 abaixo. [0096] The results of the properties of the reference resin and the resins carrying the solids replacement contents are shown in Table 9 below.
Tabela 9 - propriedades da resina de referência e das resinas com substituição por lignina Table 9 - properties of the reference resin and resins with lignin substitution
[0097] Com o aumento de substituição do adesivo de lignina em substituição à resina fenólica, é possível visualizar algumas diferenças em relação à resina de referência, tal como aumento do pH, queda do teor de sólidos e aumento no tempo de gel. [0097] With the increase in the replacement of lignin adhesive in place of phenolic resin, it is possible to see some differences in relation to the reference resin, such as an increase in pH, a drop in solids content and an increase in gel time.
Exemplo 6 - Mistura de resina fenol-formaldeído com dispersão de lignina Example 6 - Phenol-formaldehyde resin mixture with lignin dispersion
[0098] De maneira a comprovar que dois materiais podem substituir resinas fenol-formaldeído, tipo resol, misturas foram preparadas substituindo resina fenólica pela lignina nas seguintes proporções: 10, 20, 30, 40 e 50% (massa de sólido ativo, isto é, resina base seca por dispersão de lignina, também em massa seca). [0098] In order to prove that two materials can replace phenol-formaldehyde resins, resole type, mixtures were prepared by replacing phenolic resin with lignin in the following proportions: 10, 20, 30, 40 and 50% (mass of active solid, i.e. dry base resin per lignin dispersion, also in dry mass).
[0099] O tempo de prateleira (shelf-life) da mistura de resina e lignina foi acompanhado ao longo do tempo com medições periódicas da viscosidade. [0099] The shelf-life of the resin and lignin mixture was monitored over time with periodic viscosity measurements.
[0100] A Figura 2 ilustra a evolução da viscosidade da mistura de resina fenólica com dispersão de lignina produzida no exemplo 2 em função do tempo de prateleira em condições ambiente. [0101] Os resultados das propriedades da mistura de resina fenólica com dispersão de lignina produzida no exemplo 2 estão indicados na tabela 10 abaixo: [0100] Figure 2 illustrates the evolution of the viscosity of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 2 as a function of shelf time under ambient conditions. [0101] The results of the properties of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 2 are shown in table 10 below:
Tabela 10 - propriedades da mistura de resina fenol-formaldeído com lignina produzida segundo o exemplo 2 Table 10 - properties of the phenol-formaldehyde resin mixture with lignin produced according to example 2
[0102] A Figura 3 ilustra a evolução da viscosidade da mistura de resina fenólica com dispersão de lignina produzida no exemplo 3 em função do tempo de prateleira em condições ambiente. [0102] Figure 3 illustrates the evolution of the viscosity of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 3 as a function of shelf time under ambient conditions.
[0103] Os resultados das propriedades da mistura de resina fenólica com dispersão de lignina produzida no exemplo 3 estão indicados na tabela 1 1 abaixo: Tabela 1 1 - propriedades da mistura de resina fenol-formaldeído com lignina produzida segundo o exemplo 3 [0103] The results of the properties of the mixture of phenolic resin with lignin dispersion produced in example 3 are shown in table 11 below: Table 11 - properties of the mixture of phenol-formaldehyde resin with lignin produced according to example 3
[0104] Os parâmetros mais importantes para aplicação de uma resina são viscosidade e tempo de gel. A fim de verificar a estabilidade do produto gerado, o material produzido nos exemplos 2 e 3 foi submetido a envelhecimento em condições ambiente e estes parâmetros foram analisados 40 e 70 dias após a sua produção, conforme mostra a tabela 12: [0104] The most important parameters for applying a resin are viscosity and gel time. In order to verify the stability of the generated product, the material produced in examples 2 and 3 was subjected to aging under ambient conditions and these parameters were analyzed 40 and 70 days after its production, as shown in table 12:
Tabela 12 - Tempo de gel medido em minutos das misturas de resina fenol-formaldeído com lignina segundo os exemplos 2 e 3 em função do tempo de envelhecimento em condições ambientais Table 12 - Gel time measured in minutes of the phenol-formaldehyde resin mixtures with lignin according to examples 2 and 3 as a function of the aging time under ambient conditions
[0105] Segundo o programa nacional da qualidade da madeira (PNQM), estabelecido pela Associação Brasileira da Indústria de Madeira Processada Mecanicamente, o tempo de cura de um adesivo fenólico deve estar entre 6 e 12 minutos pela metodologia empregada neste documento. Logo, mesmo após 70 dias, apesar da redução do tempo de gel, o material ainda está dentro da especificação de resina fenólica para aplicação. [0105] According to the National Wood Quality Program (PNQM), established by the Brazilian Association of the Mechanically Processed Wood Industry, the curing time of a phenolic adhesive must be between 6 and 12 minutes according to the methodology used in this document. Therefore, even after 70 days, despite the reduction in gel time, the material is still within the phenolic resin specification for application.
[0106] Essa alteração do tempo de gel é esperada e provém de reações de condensação da resina fenol formaldeído com lignina que acontecem em função do tempo de produção. [0106] This change in gel time is expected and comes from condensation reactions of the phenol formaldehyde resin with lignin that occur as a function of production time.
[0107] Resinas fenólicas do tipo resol aplicadas em painéis de madeira podem apresentar um tempo de gel de 6 até 1 1 minutos. Assim, os resultados obtidos com a substituição de resina por lignina encontram-se na faixa para aplicação desejada para esse material. Tabela 13 - Viscosidade Brookfield medida em centipoise (cP) das misturas de resina fenol- formaldeído com dispersão de lignina segundo os exemplos 2 e 3 em função do tempo de envelhecimento em condições ambientais [0107] Resol-type phenolic resins applied to wood panels can have a gel time of 6 to 11 minutes. Thus, the results obtained by replacing resin with lignin are within the range for the desired application for this material. Table 13 - Brookfield viscosity measured in centipoise (cP) of phenol-formaldehyde resin mixtures with lignin dispersion according to examples 2 and 3 as a function of aging time under ambient conditions
[0108] A viscosidade das misturas mostra uma tendência de aumento, o que também ocorre com a resina fenol-formaldeído conforme o tempo de envelhecimento. [0108] The viscosity of the mixtures shows an increasing tendency, which also occurs with the phenol-formaldehyde resin as the aging time progresses.
[0109] Com os dados reportados na tabela 13, até 40 dias, as misturas ainda são adequadas por terem viscosidade plausível de aplicação. [0109] With the data reported in table 13, up to 40 days, the mixtures are still suitable as they have a plausible application viscosity.
[01 10] Verifica-se que as formulações de resina fenol-formaldeído com substituição parcial por uma dispersão contendo lignina encontram-se dentro dos requisitos de tempo de gel e viscosidade adotado pela maioria dos usuários de resina fenólica para fabricação de compensado de madeira. [01 10] It is found that phenol-formaldehyde resin formulations with partial replacement by a lignin-containing dispersion are within the gel time and viscosity requirements adopted by most users of phenolic resin for the manufacture of plywood.
[01 1 1] O processo permite gerar produtos distintos com comportamentos diferentes em relação à viscosidade da mistura, pois o produto gerado no exemplo 3 forma misturas com viscosidades menores do que o produto gerado no exemplo 2, mesmo nos maiores teores de substituição de lignina. Por sua vez, os teores de sólidos da mistura do exemplo 2 e da mistura do exemplo 3 são similares. [01 1 1] The process allows the generation of distinct products with different behaviors in relation to the viscosity of the mixture, since the product generated in example 3 forms mixtures with lower viscosities than the product generated in example 2, even at higher lignin substitution levels. In turn, the solids contents of the mixture in example 2 and the mixture in example 3 are similar.
[01 12] Especificamente, as resinas foram aplicadas na produção de painéis de compensado fenólico composto com 5 lâminas industriais de Pinus spp., com dimensões de 500 mm x 500 mm x 3,0 mm (comprimento, largura e espessura, respectivamente), gerando um painel com espessura nominal de 15 mm. Na formulação, foram utilizadas além da resina, extensor (farinha de trigo comum) e água, gerando uma batida de cola com teor de sólidos em torno de 30%. [01 12] Specifically, the resins were applied in the production of composite phenolic plywood panels with 5 industrial Pinus spp. veneers, with dimensions of 500 mm x 500 mm x 3.0 mm (length, width and thickness, respectively), generating a panel with a nominal thickness of 15 mm. In the formulation, in addition to the resin, extender (common wheat flour) and water were used, generating a glue mix with a solids content of around 30%.
[01 13] Segundo o programa nacional da qualidade da madeira (PNQM), uma resina recém produzida deve ter uma viscosidade aproximada de 400 a 800 cP (de 0,4 a 0,8 Pa.s). [01 14] Com esse ajuste, garante-se que a quantidade de resina aplicada seja a mesma, uma vez que as amostras estão com teor de sólidos diferentes. Os parâmetros utilizados para a produção dos painéis encontram-se relacionados na tabela 14 abaixo. [01 13] According to the national wood quality program (PNQM), a newly produced resin must have a viscosity of approximately 400 to 800 cP (0.4 to 0.8 Pa.s). [01 14] This adjustment ensures that the amount of resin applied is the same, since the samples have different solids contents. The parameters used to produce the panels are listed in table 14 below.
Tabela 14 - parâmetros utilizados para a produção dos painéis de compensado fenólicos Table 14 - parameters used for the production of phenolic plywood panels
[01 15] Para avaliação das propriedades mecânicas, aplicou-se 12,5% de resina em massa, relativo ao valor da massa da lâmina de pinus. [01 15] To evaluate the mechanical properties, 12.5% of resin was applied by mass, relative to the mass of the pine veneer.
[01 16] Após a prensagem, os painéis foram acondicionados até a estabilização. Posteriormente ao condicionamento, foi efetuada a confecção dos corpos de prova para a avaliação da qualidade de colagem por meio da resistência da linha de cola ao cisalhamento, conforme as normas europeias (CEN - European Committee for Standardization)-. [01 16] After pressing, the panels were conditioned until stabilization. After conditioning, test specimens were prepared to evaluate the bonding quality by measuring the glue line's resistance to shearing, in accordance with European standards (CEN - European Committee for Standardization).
- EN 314-1 (2004) - Plywood- Bonding quality- Test methods - EN 314-1 (2004) - Plywood- Bonding quality- Test methods
- EN 314-2 (2002) - Plywood- Bonding quality- Requirements - EN 314-2 (2002) - Plywood- Bonding quality- Requirements
[01 17] Os pré-tratamentos realizados nos corpos de provas dos diferentes tratamentos foram:[01 17] The pre-treatments performed on the test specimens of the different treatments were:
- Seco (climatizado); - Dry (air-conditioned);
- Imersão em água fria por 24 horas (20±3°C); - Immersion in cold water for 24 hours (20±3°C);
- Fervura 6h (Fervura por 6 horas e resfriamento por 1 hora em água a 20±3°C); e - Boiling 6h (Boiling for 6 hours and cooling for 1 hour in water at 20±3°C); and
- Ciclo de fervura (4 horas de fervura; 16-20 horas de secagem a 60±3°C; 4 horas de fervura; resfriamento por 1 hora em água a 20±3°C). - Boiling cycle (4 hours of boiling; 16-20 hours of drying at 60±3°C; 4 hours of boiling; cooling for 1 hour in water at 20±3°C).
[01 18] Após os pré-tratamentos, foram determinadas a resistência da linha de cola ao cisalhamento conforme solicitado pela metodologia para cada uma das amostras (resina de referência e resinas com lignina a 7,5%, 10% e 20%). Os resultados médios são detalhados na tabela 15 abaixo. Tabela 15 - resultados de tensão de cisalhamento nos painéis de madeira em diferentes condições de teste (seco, água fria e ciclo de fervura) [01 18] After pretreatments, the shear bond strength of the glue line was determined as requested by the methodology for each of the samples (reference resin and resins with lignin at 7.5%, 10% and 20%). The average results are detailed in Table 15 below. Table 15 - Shear stress results on wood panels under different test conditions (dry, cold water and boiling cycle)
[01 19] Os resultados obtidos foram submetidos à análise estatística, por meio de testes de: outliers, homogeneidade de variâncias, análise de variância e comparação de médias de Tukey, a 95% de confiança. [01 19] The results obtained were subjected to statistical analysis, using tests for: outliers, homogeneity of variances, analysis of variance and comparison of Tukey means, at 95% confidence.
[0120] A partir dos resultados, pode-se verificar que os teores de substituição da resina fenólica pela dispersão alcalina de lignina apresentam a mesma qualidade de colagem que a resina de referência nos diferentes tratamentos que foram submetidos. [0120] From the results, it can be seen that the levels of replacement of phenolic resin by alkaline lignin dispersion present the same bonding quality as the reference resin in the different treatments to which they were subjected.
[0121] No teste de ciclo de fervura, importante notar que na comparação em relação à resina de referência, os valores médios das resinas com lignina estão iguais e maiores do que 1 MPa. Dessa forma, o painel de madeira com diferentes teores do adesivo à base de lignina é aprovado de acordo com avaliações da norma EN 314-2. [0121] In the boiling cycle test, it is important to note that in the comparison with the reference resin, the average values of the resins with lignin are equal and greater than 1 MPa. Thus, the wood panel with different contents of the lignin-based adhesive is approved according to evaluations of the EN 314-2 standard.
Exemplo 7 - Avaliação da cura residual da mistura de resina fenólica com dispersões de lignina Example 7 - Evaluation of residual cure of phenolic resin mixture with lignin dispersions
[0122] A partir da lignina em pó, foram preparadas duas misturas alcalinas, sendo uma feita somente a partir da dissolução de lignina em água/soda 50% (teor de sólidos = 43,5%) e outra seguindo o procedimento descrito na presente invenção (teor de sólidos = 47%). [0122] From the powdered lignin, two alkaline mixtures were prepared, one made only from the dissolution of lignin in water/soda 50% (solids content = 43.5%) and the other following the procedure described in the present invention (solids content = 47%).
[0123] Foram preparadas misturas de uma resina fenol formaldeído para colagem de madeira, com substituição da referida resina com dispersões de lignina em quantidades crescentes (5-20%), em porcentagem. [0123] Mixtures of a phenol formaldehyde resin for gluing wood were prepared, with replacement of said resin with lignin dispersions in increasing amounts (5-20%), in percentage.
[0124] As misturas resina/lignina foram curadas, isto é, submetidas a calor para se transformarem em um polímero termorrígido (resina termofixa) em uma chapa a 154SC, de modo análogo à norma ASTM D4040-6, sendo definido o tempo (expresso em segundos) necessário para que a resina mantida sob uma superfície quente (a uma temperatura determinada) e sob movimento de uma espátula, polimerize e seja aderido à superfície e não mais à chapa. [0124] The resin/lignin mixtures were cured, that is, subjected to heat to transform into a thermosetting polymer (thermosetting resin) on a plate at 154 ° C, in a manner analogous to ASTM D4040-6, defining the time (expressed in seconds) required for the resin kept under a hot surface (at a certain temperature) and under the movement of a spatula, polymerize and adhere to the surface and no longer to the sheet.
[0125] Após o processo de cura, as misturas foram submetidas à análise de calorimetria de varredura diferencial (DSC), de modo a checar se todo o material havia curado. Isso pode ser evidenciado no pico endotérmico no termograma ilustrado na Figura 4. [0125] After the curing process, the mixtures were subjected to differential scanning calorimetry (DSC) analysis to check whether all the material had cured. This can be seen in the endothermic peak in the thermogram illustrated in Figure 4.
[0126] Os resultados obtidos, e que estão resumidos na Figura 4, demonstram que após o processo de cura do material, as misturas com teores de substituição da resina pelo adesivo de lignina Kraft mantêm propriedades similares à resina de referência e, portanto, não impactando o processo de cura de uma resina sem lignina. [0126] The results obtained, which are summarized in Figure 4, demonstrate that after the material curing process, the mixtures with levels of resin replacement by Kraft lignin adhesive maintain properties similar to the reference resin and, therefore, do not impact the curing process of a resin without lignin.
[0127] A Figura 5 ilustra os resultados para a análise de entalpia residual em J/g de uma resina fenol formaldeído sem lignina e de misturas de resina com substituição da referida resina com dispersões de lignina em quantidades crescentes (de 5 a 20%) em testes a frio e sob cozimento. [0127] Figure 5 illustrates the results for the analysis of residual enthalpy in J/g of a phenol formaldehyde resin without lignin and of resin mixtures with replacement of said resin with lignin dispersions in increasing amounts (from 5 to 20%) in cold and baking tests.
[0128] Analisando os valores de entalpia residual ilustrados na Figura 5, percebe-se que na temperatura utilizada para a cura, a resina fenólica de referência (ou seja, sem lignina) não curou totalmente, exibindo uma entalpia residual de 269 J/g. [0128] Analyzing the residual enthalpy values illustrated in Figure 5, it can be seen that at the temperature used for curing, the reference phenolic resin (i.e., without lignin) did not cure completely, exhibiting a residual enthalpy of 269 J/g.
[0129] Contudo, quando se substitui a resina por uma dispersão de lignina dispersa a frio em meio alcalino, a entalpia residual é maior, isto é, a mistura curou menos do que a resina de referência durante o processo de aquecimento na chapa, de modo que se tem um material com maior dificuldade de se reticular. [0129] However, when the resin is replaced by a dispersion of cold-dispersed lignin in an alkaline medium, the residual enthalpy is higher, that is, the mixture cured less than the reference resin during the heating process on the plate, so that the material is more difficult to crosslink.
[0130] Por sua vez, quando é realizado o processo descrito no presente pedido de patente, ou seja, substituindo resina por uma dispersão de lignina dispersa sob cozimento em meio alcalino, verifica- se que a entalpia residual está na mesma faixa de valores da resina de referência, mesmo quando 20% da resina foi substituída pela dispersão de lignina. [0130] In turn, when the process described in the present patent application is carried out, that is, replacing resin with a dispersion of lignin dispersed under cooking in an alkaline medium, it is found that the residual enthalpy is in the same range of values as the reference resin, even when 20% of the resin was replaced by the lignin dispersion.
[0131] Assim, a conclusão obtida a partir deste experimento é que o processo desenvolvido neste pedido de patente é capaz de substituir resina fenol formaldeído sem atrapalhar o processo de cura para utilização como componente de resina termofixa, o que pode levar à melhor adesividade do material, pois esta característica está também ligada ao grau de reticulação. [0131] Thus, the conclusion obtained from this experiment is that the process developed in this patent application is capable of replacing phenol formaldehyde resin without disrupting the curing process for use as a thermosetting resin component, which can lead to better adhesion of the material, as this characteristic is also linked to the degree of crosslinking.
Exemplo 8 - Avaliação da Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (espectros FTIR) das incorporações do adesivo de lignina com resina fenólica comercial com diferentes teores de substituição da resina sem processo de cura [0132] A Figura 6 ilustra os espectros de FTIR das amostras da resina fenólica de referência sem lignina e das misturas de resina com lignina nos teores de 7,5%, 10% e 20% de substituição da resina, mas sem a realização de processo de cura. Example 8 - Evaluation of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR spectra) of the incorporations of lignin adhesive with commercial phenolic resin with different resin replacement levels without curing process [0132] Figure 6 illustrates the FTIR spectra of the samples of the reference phenolic resin without lignin and of the resin mixtures with lignin at resin replacement levels of 7.5%, 10% and 20%, but without a curing process.
[0133] Quando se comparam os espectros de infravermelho da resina de referência e das resinas no qual lignina foi incorporada, nota-se que os espectros basicamente se sobrepõem, de maneira que não se observam bandas distintas com a incorporação do novo componente. Isso indica que o produto não possui diferenças estruturais e possui similaridades das resinas até o percentual de 20% de substituição de resina por lignina. [0133] When comparing the infrared spectra of the reference resin and the resins in which lignin was incorporated, it is noted that the spectra basically overlap, so that no distinct bands are observed with the incorporation of the new component. This indicates that the product has no structural differences and has similarities to the resins up to the percentage of 20% replacement of resin by lignin.
[0134] Especificamente, o espectro IR da resina no estado inicial tem a banda mais intensa. O máximo é registrado no comprimento de onda próximo a 3400 cm-1. [0134] Specifically, the IR spectrum of the resin in the initial state has the most intense band. The maximum is recorded at the wavelength close to 3400 cm -1 .
Exemplo 9 - Avaliação da Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (espectros FTIR) das incorporações do adesivo de lignina com resina fenólica comercial com diferentes teores de substituição da resina após processo de cura a 154QC Example 9 - Evaluation of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR spectra) of the incorporations of lignin adhesive with commercial phenolic resin with different resin substitution levels after curing process at 154 ° C
[0135] A Figura 7 ilustra os espectros de FTIR das amostras da resina fenólica de referência sem lignina e das misturas de resina com lignina nos teores de 7,5%, 10% e 20% de substituição da resina, mas com a realização de processo de cura a 154SC. [0135] Figure 7 illustrates the FTIR spectra of the samples of the reference phenolic resin without lignin and of the resin mixtures with lignin at resin replacement levels of 7.5%, 10% and 20%, but with the curing process carried out at 154 ° C.
[0136] Após o processo de cura do material, os perfis de espectro infravermelho ainda são bem similares, demonstrando, portanto, que a substituição da resina de referência pela lignina também não afeta o processo de cura, a estrutura molecular e a capacidade de adesividade do produto termorrígido. [0136] After the material curing process, the infrared spectrum profiles are still very similar, demonstrating, therefore, that replacing the reference resin with lignin also does not affect the curing process, molecular structure and adhesive capacity of the thermosetting product.
[0137] Deste modo, observa-se que a banda de 3400 cm-1 é drasticamente reduzida em todos os casos na Figura 7, mostrando curas similares. [0137] Thus, it is observed that the 3400 cm -1 band is drastically reduced in all cases in Figure 7, showing similar cures.
[0138] Entende-se que, quando uma faixa de parâmetros é fornecida, todos os números inteiros e faixas dentro dessa faixa, e décimos e centésimos, também são fornecidos pelas modalidades. Por exemplo, “5-10%” inclui 5%, 6%, 7%, 8%, 9% e 10%; 5,0%, 5,1%, 5, 2%....9, 8%, 9,9% e 10,0%; e 5,00%, 5,01%, 5, 02%....9,98%, 9,99% e 10,00%, bem como, por exemplo, 6-9%, 5,1%-9,9% e 5,01 %-9,99%. Da mesma forma, quando uma lista é apresentada, salvo indicação contrária, deve ser entendido que cada elemento individual dessa lista e cada combinação de componentes dessa lista é uma modalidade separada. Por exemplo, “1 , 2, 3, 4 e 5” abrange, entre inúmeras modalidades, 1 ; 2; 3; 1 e 2; 3 e 5; 1 , 3 e 5; e 1 , 2, 4 e 5. [0139] Deve-se compreender que as concretizações descritas acima são meramente ilustrativas e que diversas modificações podem ser realizadas por um técnico no assunto às mesmas sem que se afaste do escopo da presente invenção. Consequentemente, a presente invenção não deve ser considerada limitada às concretizações exemplificativas descritas no presente pedido. Ainda, a presente divulgação pode incluir matéria não reivindicada no momento, mas que pode ser reivindicada no futuro em combinação com ou separadamente das características ora reivindicadas. [0138] It is understood that when a range of parameters is given, all integers and ranges within that range, and tenths and hundredths, are also given by the embodiments. For example, “5-10%” includes 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, and 10%; 5.0%, 5.1%, 5.2%....9.8%, 9.9%, and 10.0%; and 5.00%, 5.01%, 5.02%....9.98%, 9.99%, and 10.00%, as well as, for example, 6-9%, 5.1%-9.9%, and 5.01%-9.99%. Likewise, when a list is given, unless otherwise indicated, it is to be understood that each individual element of that list, and each combination of components of that list, is a separate embodiment. For example, “1, 2, 3, 4 and 5” includes, among numerous modalities, 1; 2; 3; 1 and 2; 3 and 5; 1, 3 and 5; and 1, 2, 4 and 5. [0139] It should be understood that the embodiments described above are merely illustrative and that various modifications may be made by a person skilled in the art to them without departing from the scope of the present invention. Consequently, the present invention should not be considered limited to the exemplary embodiments described in the present application. Furthermore, the present disclosure may include subject matter not currently claimed, but which may be claimed in the future in combination with or separately from the features now claimed.
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