Espumas rígidas poliuretanas de alta densidade, derivadas de lignopolióis obtidos por glicerólise enzimática

Abstract

A lignina é um biopolímero de cadeia ramificada, composta por álcoois fenilpropanóides, grupos funcionais como carbonilas, carboxilas, hidroxilas, entre outros. Ela é um subproduto gerado em grande parte pela indústria de papel e celulose, portanto, não é encontrada de forma isolada na natureza. Uma das alternativas pautadas à valorização da lignina é a produção de espumas rígidas poliuretanas, em razão das suas propriedades no potencial de substituição de recursos não renováveis no preparo de poliuretanas e melhoramento na qualidade final do produto. No entanto, o conceito de sustentabilidade aborda não só o uso de recursos renováveis, mas também o processamento do produto, a finalidade e biodegradação. Neste estudo, foi proposto a utilização de recursos renováveis de primeira e segunda geração, uma reação de transesterificação catalisada por enzimas, utilizando óleo de mamona, glicerina e lignina, para fins de produção de lignopoliol e posteriormente o desenvolvimento de espumas rígidas poliuretanas. A capacidade catalítica das enzimas na presença de lignina foi avaliada pela caracterização dos biopolióis e investigada a influência do teor de lignina (0, 5, 10 e 15 % em massa) nas propriedades das espumas. Os polióis à base de lignina apresentaram características de fluidos newtonianos, exceto os polióis catalisados pela enzima CalB-livre com 10 % (PC10) e 15 % (PC15), que demonstraram comportamento de fluidos tixotrópicos, o que pode ser explicado pela diminuição da viscosidade quando aplicada uma taxa de cisalhamento fixa e o aumento da viscosidade no estado de repouso, os lignopolióis derivados de glicerólise enzimática por N435 apresentaram maior índice de hidroxilas devido a estabilidade que o suporte promove à enzima nas oscilações reacionais. Foi observado um aumento na densidade aparente das espumas e na resistência mecânica com o aumento do conteúdo de lignina e por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi possível observar células mistas de paredes mais alongadas e densas associadas à presença de lignina. Além disso, a resistência mecânica atingiu valores superiores a 0,20 MPa, descrito na literatura para espumas rígidas poliuretanas. Através deste estudo, foi possível obter espumas rígidas de poliuretano de alta densidade com possibilidade na aplicação industrial e colaborar com um método alternativo para a funcionalização da lignina para aplicação polimérica.

Abstract: Lignin is a branched-chain biopolymer, composed of phenylpropanoid alcohols, functional groups such as carbonyls, carboxyls, hydroxyls, among others. It is a by-product generated by the pulp and paper industry; therefore, it is not found in an isolated form in nature. One of the alternatives based on the valorization of lignin is the production of rigid polyurethane foams, due to its properties in the potential replacement of non-renewable resources in the preparation of polyurethanes and improvement in the final quality of the product. However, the concept of sustainability addresses not only the use of renewable resources, but also product processing, finality and biodegradation. In this study, it was proposed to use first- and second-generation renewable resources, an enzyme-catalyzed transesterification reaction using castor oil, glycerin and lignin, for the purpose of lignopolyol production and subsequently the development of polyurethane rigid foams. The catalytic ability of the enzymes in the presence of lignin was evaluated by characterization of the biopolyols and the influence of the lignin content (0, 5, 10 and 15 % by mass) on the properties of the foams was investigated. The lignin-based polyols showed characteristics of Newtonian fluids, except the CalB-free enzyme-catalyzed polyols with 10 % (PC10) and 15 % (PC15), which showed behavior of thixotropic fluids, which can be explained by the decrease in viscosity when a fixed shear rate is applied and the increase in viscosity in the resting state, the lignopolyols derived from enzymatic glycerolysis by N435 showed higher hydroxyl index due to the stability that the support promotes to the enzyme in the reaction oscillations. An increase in foam bulk density and mechanical strength was observed with increasing lignin content, and by scanning electron microscopy (SEM) it was possible to observe mixed cells with more elongated and dense walls associated with the presence of lignin. In addition, the mechanical strength reached values higher than 0.20 MPa, described in the literature for rigid polyurethane foams. Through this study, it was possible to obtain rigid high density polyurethane foams with the possibility of industrial application and to collaborate with an alternative method for the functionalization of lignin for polymeric application.