Lignin is a by-product of the pulp production and it is mainly used for energy generation at the pulp mill. Lignin has potential to be used in many more valuable applications, such as in plywood adhesives. Lignin polymer has a phenolic structure and it is a non-toxic natural material, whereas the currently used phenol-formaldehyde (PF) resins in plywood applications are toxic and fossil-based. The goal of this thesis was to produce a lignin-based adhesive without any fossil-based components for plywood applications. The hypothesis was that colloidal lignin particles (CLPs) of lignin fractions would produce a strong adhesive. Also, the effect of a cationic component, such as gelatin and cationic lignin in the adhesion was investigated.
Lignoboost lignin was fractionated to ethanol soluble lignin (ESL) and ethanol insoluble lignin (EIL) fractions. These fractions were characterised with Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and differential scanning calorimetry (DSC). The colloidal lignin particles were prepared from these fractions for glue tests. Also, cationic lignin was prepared. These were characterised with particle size and zeta potential measurement. CLPs of different lignin fractions, cationic lignin and gelatin were concentrated to ~30% dry matter content. For gluing tests, ice cream sticks were glued with a lap-shear joint applying cold (CP) or hot pressing (HP). The tensile shear strengths of different glues were determined, and they were compared to polyvinyl acetate (PVA) glue. ABES testing was used in order to test lignin in different pressing temperatures and compare the adhesive strength to PF. Also, moisture resistance testing was done and FESEM images were taken of the glued surface.
The FT-IR analysis of Lignoboost lignin and different lignin fractions showed that the fractionation has not affected the lignin structure. The DSC analysis showed that the glass transition temperature (Tg) decreased with fractionation. Tg for Lignoboost lignin was 178ºC and for ESL 138°C. EIL showed no clear Tg. Zeta potential was negative for CLP fractions and positive for cationic components. Particle sizes of CLPs varied with different fractions. Cationic lignin showed lowest and gelatin coated lignin the highest particle size. In the lap-shear testing, HP samples showed better results than the CP samples and this was because lignin softened in a higher temperature. HP gelatin showed maximum value of 6.4 MPa, followed by gelatin+EIL CLP, gelatin+CLP and gelatin+ESL CLP. Cationic lignin showed lowest adhesive strength. The PVA glue value (7.7 MPa) was not reached. In Automated Bonding Evaluation System (ABES) testing the PF value was exceeded with birch veneer but not with spruce veneers. Spruce veneers showed decreasing adhesive strength with increasing pressing temperature. Moisture resistance for CLPs+gelatin showed stabile bonding therefore indicating that there might be potential for plywood applications. The lignin glues used in this thesis showed good bonding, but did not reach the adhesive strength of commercial glue or PF.Ligniini on selluntuotannon sivuvirta, jota käytetään enimmäkseen sähköntuotantoon sellutehtailla.
Ligniinissä on kuitenkin potentiaalia arvokkaampien tuotteiden käyttökohteissa, kuten vaneriliimoissa. Ligniinillä on fenolinen rakenne ja se on myrkytön luonnollinen materiaali, kun taas vaneriapplikaatioissa tällä hetkellä käytetty fenoli-formaldehydi (FF) on myrkyllinen ja valmistettu fossiilisista raaka-aineista. Tämän diplomityön tarkoitus oli valmistaa ligniiniliima vaneriapplikaatioihin ilman fossiilisia lisäaineita. Hypoteesina oli, että ligniinifraktioista valmistetut kolloidiset ligniinipartikkelit (CLPt) muodostaisivat vahvan liiman. Myös kationiset komponentit, kuten gelatiini ja kationinen ligniini, saattaisivat muodostaa vahvan adheesion.
Lignoboost fraktioitiin etanoliin liukenevaan (ESL) ja etanoliin liukenemattomiin (EIL) fraktioihin. Nämä fraktiot karakterisoitiin infrapunaspektrometrialla (FTIR) ja pyyhkäisykalorimetrillä (DSC). CLPt valmistettiin näistä fraktioista liimatestauksia varten. Myös kationinen ligniinijohdannainen valmistettiin kokeita varten. Näistä mitattiin partikkelikoko ja zeta potentiaali ja ne konsentroitiin ~30% kuiva-ainepitoisuuteen. Liimatestaus suoritettiin vetolujuuskokeella, jossa näytteet kylmä- tai kuumapuristettiin ja niitä verrattiin kaupalliseen polyvinyyliasetaatti(PVA)-liimaan. Eri lämpötilojen vaikutusta ligniiniin tutkittiin ABES-testauksella ja verrattiin FF:n arvoihin. Myös kosteudenkestävyyttä tutkittiin ja liimojen pinnoista otettiin elektronimikroskooppikuvat.
Lignoboostin ja ligniinifraktioiden FT-IR-kuvaajat vastasivat ligniinin kuvaajaa, joten fraktiointi ei vaikuttanut merkittävästi ligniinin rakenteeseen. DSC-analyysin perusteella ligniinifraktioissa havaittiin erilaisia termisiä ominaisuuksia. Fraktiointi pienensi lasittumislämpötilaa (Tg). Lignoboostin Tg oli 178ºC ja ESL Tg oli 138°C. EIL:llä ei havaittu selvää Tg:tä. Zeta potentiaali oli negatiivinen CLP-fraktioille ja positiivinen kationisille komponenteille. Partikkelikoot vaihtelivat eri fraktioilla, gelatiinilla päällystetyllä ligniinillä ja kationisella ligniinillä. Vetolujuuskokeessa kuumapuristetut näytteet antoivat parempia tuloksia kuin kylmäpuristetut näytteet ja tämä johtui ligniinin pehmenemisestä korkeassa lämpötilassa. Paras liimasauman vahvuus oli kuumapuristetulla gelatiinilla 6.4 MPa, sitten gelatiini+EIL CLP:llä, gelatiini+CLP:llä and gelatiini+ESL CLP:llä. Kationisella ligniinillä liimasauma oli heikoin. PVA-liiman vahvuutta 7.7 MPa ei saavutettu. ABES-testauksessa FF:n arvo ylitettiin koivuvanereilla mutta ei kuusivanereilla. Kuusivanereilla liimasauman vahvuus pieneni lämpötilan kasvaessa. Liimasidoksen kosteudenkestävyys CLP+gelatiinille oli stabiili, joten tällä voisi olla potentiaalia vaneriapplikaatioissa. Tässä diplomityössä käytetyt ligniiniliimat osoittivat hyvää sitoutumista, mutta eivät saavuttaneet kaupallisen liiman ja FF:n suorituskykyä
