Compósitos poliméricos obtidos pela combinação de estireno e lignina

Abstract

A lignina é um polímero natural proveniente de materiais lignocelulósicos de grande disponibilidade, originado em grande escala, e com enorme potencial para aplicação na produção de novos materiais poliméricos compósitos. Devido sua estrutura macromolecular complexa e a sua reduzida compatibilidade com o estireno, a lignina extraída da madeira de eucalipto pelo método Kraft modificado foi esterificada com anidrido metacrílico (exibindo um rendimento de aproximadamente 64 %) para assegurar a homogeneidade da fase orgânica no meio reacional de polimerização. O processo de polimerização sequencial do tipo massa-suspensão foi escolhido com o objetivo de garantir a adequada dispersão da lignina no meio reacional. A caracterização da lignina natural e a lignina esterificada por infravermelho (IV) mostrou a diminuição da banda característica das hidroxilas da lignina natural (3200 cm-1 – 3400 cm-1) e um aumento da banda característica de ésteres (1720 cm-1 – 1740 cm-1). Em ensaios de ressonância magnética nuclear (1H RMN) foram observados picos intensos na faixa entre 1,7 ppm – 2,05 ppm (-CH3) e 5,4 ppm – 6,2 ppm (=CH2) característicos do anidrido metacrílico, corroborando os resultados de IV. De acordo com as análises termogravimétricas (TGA), a lignina esterificada apresentou uma diminuição em sua estabilidade térmica quando comparada a lignina natural, exibindo duas perdas de massa significativas, entre 200 °C e 300 °C e entre 550 °C e 800 °C. Comparativamente, a lignina esterificada teve sua temperatura de transição vítrea (Tg) aumentada para 98 °C, em relação a lignina natural, cuja Tg foi determinada igual a 91 °C. Os compósitos poliméricos obtidos pela combinação de estireno com lignina natural e/ou esterificada, na proporção de 5 %, 10 % e 20 % de lignina, foram produzidos com sucesso, apresentando partículas com morfologia regular. A incorporação de lignina (natural ou esterificada) resultou em um aumento significativo da viscosidade dos polímeros em comparação aos resultados obtidos para o poliestireno puro. Adicionalmente, os materiais poliméricos oriundos dos ensaios de viscosidades foram conduzidos a uma nova caracterização térmica em ensaios de TGA e DSC, mostrando que a boa estabilidade térmica é mantida com perdas de massa entre 350 °C e 480 °C. Em particular para os compósitos contendo lignina esterificada, a Tg aumentou em relação ao poliestireno puro, como o resultado da copolimerização entre o estireno e a lignina esterificada.

Lignin is a lignocellulosic materials-derived natural polymer with high availability, produced in large-scale, presenting a huge potential for production of new polymeric composites. Due to its complex macromolecular structure, and its low compatibility with styrene, eucalyptus wood-extracted lignin through modified Kraft method was esterified with methacrylic anhydride – exhibiting a yield of 64 % – in order to ensure homogeneity in the organic phase into the reaction medium. The mass-suspension sequential polymerization process was employed in order to ensure adequate dispersion of lignin in the reaction medium. The evaluation of both the natural and esterified lignin through infrared (IR) spectroscopy showed a decrease of the hydroxyl band, characteristic of natural lignin (3200-3400 cm-1) and an increase of the characteristic ester band (1720 to 1740 cm-1). According to nuclear magnetic resonance (1H NMR), intense peaks were observed in the range from 1.7 to 2.05 ppm (-CH3) and 5.4 ppm to 6.2 ppm (=CH2), related to methacrylic anhydride. According to the thermogravimetric analysis (TGA), esterified lignin showed a decrease in its thermal stability when compared to natural lignin, exhibiting two main weight losses between 200 °C and 300 °C and in the interval from 550 °C to 800 °C. Comparatively, the esterified lignin also displayed an increase in its glass transition temperature (Tg) for para 98 °C, related to natural lignin, whose Tg was determined to be equal to 91 °C. The polymer composites obtained by the combination of styrene and natural or esterified lignin, in a proportion of 5%, 10% and 20% of lignin, were successfully synthesized, presenting regular morphology. The incorporation of lignin (natural and modified) into the thermoplastic matrix of polystyrene (PS) led to a significant increase in the viscosity of polymer composites, in comparison to the one observed for the pure PS. Additionally, polymeric materials from viscosity essays were analyzed once more by thermal analysis (TGA and DSC), showing that the good thermal stability is kept, displaying weight losses lying in the interval from 350 °C e 480 °C. Particularly for the polymer composites containing modified lignin, the Tg was increased in comparison to pure PS, as a result of copolymerization between styrene and esterified lignin.