A Study on Lignin or Zein Based Hydrophobic Coatings

Abstract

The two by-products lignin, from the paper industry, and zein, from starch production, have shown potential as hydrophobic barriers. Therefore, this study has aimed to produce and in-vestigate the hydrophobicity of lignin or zein dispersions coated on paper. The lignin coatings were made from softwood (spruce) and hardwood (birch) lignin that was extracted using hy-drotropic extraction (HEX) and milled wood lignin (MWL) extraction. The lignin was then dissolved in acetone and spray coated onto paper. In the zein dispersions, zein was dissolved in either ethanol (EtOH) or acetic acid (AcOH). In two of the zein coatings, glycerol was add-ed as a plasticiser.

For the lignin coatings, no difference in hydrophobicity was found between softwood lignin and hardwood lignin. The MWL coatings gave the highest contact angle (CA), birch 107° and spruce 106°, and the lowest cobb value of around 37 g/m2. However, none of the lignin coat-ings showed potential as a water vapour barriers as all the coatings had high water vapour transmission rate (WVTR) values of around 1300 g/(m2 day). The paper that the coatings were applied to had high water CA and low moisture uptake. This makes the success of the MWL more difficult to establish.

The zein coatings did not give hydrophobic CA except for the dispersion containing 15wt% zein in EtOH (the highest value being 90°). However, it was found that some zein dispersions had a better water vapour barrier compared to the lignin dispersions and 10wt% zein in AcOH plasticised with glycerol had a WVTR value of 89 g/(m2 day) and 10wt% zein in EtOH had WVTR value of 710 g/(m2 day).

Popular Abstract (Swedish)

Med de nya klimatomställningarna behövs nya hållbara material. En av de mest förekom-mande naturliga molekylerna är lignin, vilket är en av de tre huvudsakliga beståndsdelarna i växter, till exempel trä. Förutom lignin är de två andra huvudbeståndsdelarna i trä; cellulosa och hemicellulosa. Idag används framför allt cellulosa i pappersindustrin och lignin har därför länge ansetts vara en restprodukt. En annan molekyl som idag också anses vara en restprodukt är majsproteinet zein som kommer från majsstärkelsetillverkning. Dessa två molekyler har potential att användas inom förpackningsindustrin då de kan vara vattenavstötande och därför kan användas som en vätskebarriär. Därför har vi i denna studie utvunnit lignin ur björk och gran samt undersökt potentialen hos lignin och zein som vattenavstötande beläggning på pap-per.

För att utvinna ligninet ur gran och björk förbehandlades träflisen först med ånga i en process som kallas ångexplosion vilket framför allt avlägsnar hemicellulosan. Därefter användes två olika separationsmetoder, MWL och hydrotrop extraktion. MWL är en metod som idag an-vänds för att utvinna ett lignin som är så likt obehandlat lignin som möjligt. I en MWL ex-traktion låts trät ligga i varm lösning med kemikalien dioxan som löser upp ligninet. Dioxanet får sedan avdunsta och kvar är ligninet. I den hydrotropa extraktionen används hydrotropen SXS som är en molekyl som har förmågan att göra ämnen som inte är lösliga i vatten vatten-lösliga. Hydrotropen gör ligninet lösligt i vatten till en viss grad och för att sedan få ut ligninet från vattnet tillsätts ännu mer vatten vilket späder ut hydrotropen och gör att ligninet inte längre är lösligt i vattnet. Därefter kan ligninet enkelt separeras ut med hjälp av ett filter.

När ligninet utvunnits blandades det med aceton och sprayades på papper. Därefter mättes vattenbarriäregenskaperna.

För majsproteinet zein som redan var utvunnet så skapades fem olika blandningar. Med dessa blandningar testades två olika koncentrationer av zein (10 vikts-% och 15 vikts-%), två olika lösningsmedel (ättiksyra och etanol) samt med och utan mjukgöraren glycerol. Dessa spraya-des sedan på papper och vattenbarriärsegenskaperna analyserades.

Efter analyserna var det tydligt att MWL beläggningen var mest vattenavstötande, men att ingen av ligninbeläggningarna var bra ångbarriärer. Trots detta var det svårt att avgöra skill-naden som MWL beläggningen gjorde, då pappret redan från början var vattenavstötande. Den bästa ångbarriären var däremot zeinblandingen i ättiksyra innehållande glycerol som där-emot inte var en bra vätskebarriär. Den enda zeinblandningen som gav mätvärden som kunde klassificeras som vätskeavstötande (hydrofobt) var 15 vikts-% zein i etanol.

• author: Wentz, Filippa and Olofsson, Sandra
• supervisor: Basel Al-Rudainy
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Lignin, Zein, Hydrophobic Coating, Dispersion, Chemical engineering
• language: English
• additional info: Authors Sandra Olofsson and Filippa Wentz contributed equally to the article
• id: 9111397
• date added to LUP: 2023-03-09 09:23:59
• date last changed: 2023-03-09 09:23:59