Characterization and evaluation of lignin-based surfactants

Abstract

Surfactants are molecules which possess both hydrophilic and hydrophobic moieties. Surfactants are critical ingredients in several applications, most notably in hard surface cleaners, detergents, personal care formulation and agrochemicals. Majority of globally used surfactants are from fossil-based origin. Lignin, a complex molecule from nature, possesses both hydrophilic and hydrophobic functional groups, deeming it a possible renewable alternative to fossil-based surfactants.

In this work, novel hardwood lignin-based surfactants produced with methods aiming to decrease the molecular size of lignin and control the hydrophobicity and hydrophilicity were evaluated. Chemical characterization methods were used to characterize the lignin-based samples. The evaluation included measurements of surface tension, emulsion stabilization and pigment suspending ability against selected commercial references.

Based on the results, some of these novel lignin-based surfactants possessed similar surface-active properties as commercial reference surfactants. The lignin-based surfactants were able to reduce surface tension to values similar to the reference. The best performance of lignin-based surfactants was seen as emulsifying and suspending agents, where they exceed the performance of the commercial references. The results indicate that the functional groups and the structure have the highest effect on the surface-active properties of lignin-based surfactants. Other parameters, such as molecular size and molecular charge as well as the pH conditions also affect the performance. The required characteristics of lignin-based surfactants seem to be dependent on the application.

Pinta-aktiiviset aineet ovat molekyylejä, joiden rakenteessa on sekä hydrofiilisiä että hydrofobisia funktionaalisia ryhmiä. Pinta-aktiiviset aineet ovat tärkeitä aineisosia useissa sovelluksissa, kuten yleispuhdistusaineissa, pesuaineissa, kosmetiikassa ja maatalouskemikaaleissa. Suurin osa maailmanlaajuisesti käytetyistä pinta-aktiivisista aineista on fossiilipohjaisia. Ligniini, kompleksinen luonnon molekyyli omaa sekä hydrofiilisia että hydrofobisia funktionaalia ryhmiä, tehden siitä mahdollisen uusiutuvan vaihtoehdon fossiilisille pinta-aktiivisille aineille.

Tässä diplomityössä arvoitiin ja karakterisoitiin uusia ligniinipohjaisia pinta-aktiivisia aineita, jotka olivat valmistettu ligniinimolekyylin pienentämiseen ja hydrofobisten ja hydrofiilisten ominaisuuksien kontrollointiin tähtäävillä menetelmillä. Näytteiden ominaisuuksia arvioitiin mittaamalla niiden kykyä alentaa veden pintajännitystä, stabiloida emulsioita sekä ylläpitää pigmenttisuspensiota.

Tulokset osoittivat, että ligniinipohjaisilla pinta-aktiivisilla aineilla oli samankaltaisia ominaisuuksia kuin kaupallisilla pinta-aktiivisilla aineilla. Ligniinipohjaiset pinta-aktiiviset aineet onnistuivat laskemaan pintajännitystä samalle tasolle kuin kaupalliset referenssit. Parhaiten ligniinipohjaiset pinta-aktiiviset aineet toimivat emulsioiden stabilointiin sekä pigmenttisuspension ylläpitämiseen, päihittäen referenssit. Tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että molekyylirakenteella on suurin vaikutus pinta-aktiivisten aineiden tehokkuuteen, mutta myös molekyylikoolla ja varauksella sekä pH olosuhteilla huomattiin olevan vaikutusta ligniinipohjaisten pinta-aktiivisten aineiden toimintaan. Ligniinipohjaisilta pinta-aktiivisilta aineilta vaadittavat ominaisuudet näyttävät riippuvan käyttökohteesta.