Posibilidades y limitaciones de adhesivos basados en polifenoles naturales

Transcripción

1 XI Taller de la Industria de Tableros y Chapas Corporación de la Madera, CORMA Posibilidades y limitaciones de adhesivos basados en polifenoles naturales Alex Berg Unidad de Desarrollo Tecnológico Universidad de Concepción 20 de noviembre de 2015

2 Contenido 1. Adhesivos para madera en Chile 2. Taninos: Propiedades Obtención Adhesivos 3. Lignina: Propiedades Obtención Adhesivos 4. Conclusiones

3 Adhesivos para madera en Chile Adhesivos para paneles reconstituidos de madera Urea/melanina formaldehído Aplicación principal: Tableros de partículas y MDF Consumo: ton/año (65% contenido de sólidos) Fenol formaldehído Aplicación principal: Tableros contrachapados Consumo: ton/año (42% contenido de sólidos) Aplicación principal: Tableros OSB Consumo: ton/año (50% contenido de sólidos) Fuente: Información de productores de resinas, 2014.

4 Adhesivos para madera en Chile Precios de fenol y metanol Ref.: ICIS pricing, Phenol (US Golf) Methanex Monthly Average Regional Posted Contract Price History

5 Taninos Propiedades Fenol + lento Resorcinol + rápido Floroglucinol + muy rápido Fuente: Fórmula de resina fenólica de Wikipedia.

6 Taninos Propiedades Fenol + lento Tanino de pino adiata Resorcinol + rápido Floroglucinol Tanino de acacia + muy rápido Fuente: Molécula de tanino de Schofield, Mbugua y Pell (2001).

7 Taninos Obtención Corteza de pino Extracción en metanol Fase líquida Fase sólida Evaporación Taninos solubles en agua Taninos insolubles en agua Corteza extraída Fuente: Proyecto INNOVA BÍO BÍO Separación de los componentes de la madera ; Proyecto FONDEF D08I1100 Desarrollo de productos comerciales a partir de paja de trigo,

8 Taninos Obtención EXTRACTIO N CONDENSATION BARK N 2 STEAM STEAM SOLVENT RECOVERY STORAGE

9 Taninos Obtención

10 Taninos Obtención Disolución de taninos en agua Condiciones de procesamiento Disolución de taninos en metanol Condiciones de procesamiento Solvente Agua Solvente Metanol (75%) Aditivos inorgánicos NaOH, Na₂SO₃ Aditivos inorgánicos Ninguno Tiempo extracción 2 6 h Tiempo extracción 0,5 h Temperatura de extracción C Temperatura de extracción 70 C Ventajas: Mayor rendimiento Tecnología conocida Ventajas: Mayor selectividad (menos carbohidratos), menor viscosidad Ausencia compuestos inorgánicos Factibilidad de generar otros productos Menor capacidad y inversión

11 Taninos Obtención Producción de corteza de pino: Producción potencial de taninos: ton/año (base seca) ton/año (base seca)

12 Taninos Adhesivos Tanino + paraformaldehído (precondesados UF) Tanino + paraformaldehído (precondesados UF) + PMI Tanino + hexametilentetramina Autopolimerización de taninos

13 Taninos Adhesivos Evaluación de unión adhesiva mediante ABES

14 Shear strength (MPa) Taninos Adhesivos Tannin resin made with Radiate pine bark 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 120 C 130 C 140 C 150 C 1,0 0, Press time (s)

15 Lignina Pino Propiedades Eucalipto Paja de trigo Fuente: Relación G, S y H en lignina de acuerdo a Ragaukas (2008). Molécula de lignina de acuerdo a Nimz (1974).

16 Lignina Propiedades Solubilidad Fuente: Proyecto CONICYT / ANR Natural Polymeric Matrices / Natural Fibers Composites (NatMat) ( ).

17 Distribución de pesos moleculares Lignina Propiedades Muestra de lignina Mn Mw Mn/Mw Pino ,70 Paja de trigo ,86 Eucalipto ,96 Pino - pirólisis ,6 Fuente: Proyecto CONICYT / ANR Natural Polymeric Matrices / Natural Fibers Composites (NatMat) ( ).

18 Lignina Espectro FTIR Propiedades Grupos más reactivosos Groupo C=O: Paja de trigo> Pino > Eucalipto Groupos OH general: Pino = Paja de trigo > Eucalipto Groupos C-CH3 y OH phenolicos: Paja de trigo > Pino > Eucalipto C=O y C-CH3 indican acetilación > pino y eucalipto. Fuente: Proyecto CONICYT / ANR Natural Polymeric Matrices / Natural Fibers Composites (NatMat) ( ).

19 Lignina Obtención Madera / paja de trigo Digestión en ácido acético Fase líquida Fase sólida Separación Lignina Azúcares Fibras Fuente: Proyecto INNOVA BÍO BÍO Separación de los componentes de la madera ; Proyecto FONDEF D08I1100 Desarrollo de Productos Comerciales a partir de paja de trigo,

20 Lignina Obtención FIBER SUSPENSION TANK SCREW PRESS PRESSED FIBERS TANK Wood/ wheat straw Steam inlet DELIGNIFICATION REACTOR condensate outlet DILUTION TANK Acetic acid Recirculation Washed fibers Fibers Acetic acid PUMP

21 Lignina Obtención

22 Lignina Obtención Delignificación Kraft Processing conditions Solvente Agua Delignificación Acetosolv Processing conditions Solvente Ácido acético (87%) Aditivos inorgánicos Na₂SO₄ Aditivos inorgánicos Ninguno Tiempo extracción 1 2 h Tiempo extracción 2 h Temperatura de extracción C Temperatura de extracción C Ventajas: Masiva disponibilidad de lignina Kraft Existe tecnología para separar lignina de licor negro Ventajas: Lignina sin compuestos inorgánicos Lignina poco condensada

23 Lignina Obtención Lignina Pirólisis rápida Bio-Oil Carbón vegetal Lignina Gases pirolíticos Fuente: Proyecto FONDEF Obtención de productos químicos de alto valor y combustible líquido mediante conversión termoquímica de biomasa, ; Proyecto CONICYT BASAL Diseño y construcción de reactor de tres etapas para Pirólisis Flasch, ; Proyecto CONICYT BASAL Desarrollo y evaluación de métodos analíticos para la determinación de compuestos volátiles, ácidos orgánicos y levoglucosano en Bio Oil,

24 Lignina Obtención

25 Lignina Obtención

26 Lignina Obtención Disponibilidad de pino: Disponibilidad lignina de pino: m³ssc/año ton/año (base seca) Disponibilidad de eucalipto: m³ssc/año Disponibilidad lignin eucalipto: ton/año (base seca) Disponibilidad paja de trigo: ton/año (base seca) Disponibilidad lignin paja trigo: ton/año (base seca) Fuente: Infor, Anuario Forestal 2012.

27 Shear strength (MPa) Shear strength (Mpa) Shear strength (MPa) Lignina Adhesivos Glyoxylated wheat straw lignin 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 90 C 120 C 130 C 150 C ABES de lignina glioxilada 1,0 0,5 0, Time (s) Glyoxylated Eucalyptus lignin 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 80 C 120 C 130 C 140 C 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 120 C 130 C 140 C 150 C 160 C 170 C 0,5 0,5 0, Press time (s) 0, Press time (s) Glyoxylated pyrolytic lignin

28 Shear Strength Shear strength Lignina Adhesivos Adhesivos PF con adición de lignina de pino Press temperature 135 C Press temperature 150 C PF MIX 50/50 25/ PF MIX 50/50 25/ /90 100% Lignina /90 100% Lignina Press time, s Press time, s

29 Conclusiones Taninos Lignina Disponibilidad Tecnología Costo Calidad

30 Conclusiones Desde hace décadas se estudian alternativas tecnológicas para extraer taninos y usarlos para fabricar resinas adhesivas para madera. En la actualidad el desarrollo del conocimiento y las condiciones del mercado son muy favorables para una implementación industrial de los resultados. La lignina es el segundo polímero más abundante en la naturaleza, después de la celulosa. Su uso como materia prima para la fabricación de resinas adhesivas es factible, pero sólo como reemplazo parcial del fenol en resinas PF. La baja reactividad de la lignina frente al formaldehído es un problema gravitante.

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32 Alex Berg Unidad de Desarrollo Tecnológico Universidad de Concepción Gracias!