Correlations between lignin-phenol-formaldehyde resin properties and molecular weight distributions
Kosonen, Aada (2021)
Kandidaatintyö
Kosonen, Aada
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060232779
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060232779
Tiivistelmä
Several analytical methods are used to determination of the properties and optimization of the quality of lignin-phenol-formaldehyde resins. Typically, measured properties of the resins are viscosity, pH, alkalinity, dry content, cure rate, and the proportion of free phenol and formaldehyde in the resin. The aim of this thesis was to study what kind information the molecular weight distributions of LPF resins, analyzed by size exclusion chromatography (SEC), can give and calculate the correlations between the molecular weight distributions and the manufacturing parameters and the measured properties of the resins. In addition, this thesis is studied how the molecular weight affects to the properties of LPF resin and how to improve the integration of the molecular weight distributions.
In this thesis, two different types of resin that are suitable for different application were studied. The total number of the resins which were analyzed by the SEC was 32. Some of the investigated resins had too high formaldehyde concentrations compared to standard values. In addition, the data of the measured properties (e.g. pH, alkalinity, dry matter content, viscosity) was used to calculate the correlations between the properties and the MWDs.
The results show that correlations can be found especially between the molecular weight distributions of LPF resin type A and its measured parameters. A clear correlation was observed between the proportion of resin components with a molecular weight > 2000 g/mol and the phenol substitution rate. In addition, the higher molecular weight area correlates with the B- time results. B-time is an analytical method for studying curing properties of the resin. Based on the above results, it can be concluded that LPF resin and lignin content can be found in this area. Furthermore, one interesting correlation was found between the free phenol content and the molecular weight area of 0‒60 g/mol. A similar correlation can also be observed with LPF resin type B. In turn, free formaldehyde content does not correlate in this molecular weight area for either of the studied resins. It was also found that LPF resins had higher content of small molecules (0‒200 g/mol) than PF resin. Based on the results, the integration model was formed for the MWD of LPF resins, and in general, the findings about the correlations between the MWDs of resins and their properties can be utilized in the further development of resin types and analytical methods. Ligniini-fenoli-formaldehydihartsien ominaisuuksien tutkimisessa ja laadun optimoinnissa käytetään useita analyysimenetelmiä. Hartseista tyypillisesti mitattavia ominaisuuksia ovat viskositeetti, pH, alkalisuus, kuiva-aine pitoisuus, kovettumisnopeus sekä vapaan fenolin ja formaldehydin osuus hartsissa. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, mitä tietoa LPF hartsien kokoekluusiokromatografilla (SEC) analysoiduista moolimassajakaumista voidaan saada selville sekä etsiä korrelaatioita molekyylipainojakaumien, valmistusparametrien ja mitattujen ominaisuuksien välillä. Lisäksi tässä työssä selvitettiin, miten molekyylipainolla voidaan vaikuttaa LPF hartsin ominaisuuksiin sekä tarkennetaan LPF hartsien moolimassajakaumien integrointia.
Työssä tutkittiin kahta eri hartsityyppiä, jotka sopivat ominaisuuksiltaan eri käyttökohteisiin. Tutkittavia hartseja, joiden moolimassajakaumat analysoitiin SEC:n avulla oli yhteensä 32 kappaletta. Osan tutkituista hartseista vapaa formaldehydi pitoisuus oli liian korkea standardiarvoihin verrattuna. Lisäksi käytössä oli näiden hartsien ominaisuuksista (esimerkiksi pH, alkalisuus, kuiva-ainepitoisuus, viskositeetti) mitattuja tuloksia, joita käytettiin hartsin ominaisuuksien ja moolimassajakaumien välisten korrelaatioiden tutkimiseen.
Tulokset osoittavat, että etenkin hartsin A moolimassajakaumien ja hartsista mitattujen parametrien välillä voidaan löytää korrelaatioita. Työssä havaittiin myös selkeä korrelaatio hartsien komponenttien osuuden, joiden molekyylipaino on >2000 g/mol ja hartsin ligniinin määrän välillä. Korkeamman moolimassan alue korreloi lisäksi hartsista mitattujen B-aika-tulosten kanssa, jotka kertovat hartsin kovettumisominaisuuksista. Edellä mainittujen tulosten pohjalta voidaan päätellä, että LPF-hartsi ja ligniinipitoisuus voidaan erottaa tällä korkeamman moolimassan alueella. Yksi mielenkiintoinen korrelaatio oli vapaan fenolipitoisuuden ja molekyylipaino alueen 060 g/mol välillä. Vastaava korrelaatio voidaan havaita myös hartseilla B. Vapaa formaldehydi ei puolestaan korreloi tällä molekyylipaino alueella kummankaan hartsin tapauksessa. Tutkimuksissa myös havaittiin, että LPF hartseissa oli PF hartseja enemmän pieniä molekyylejä (0‒200 g/mol). Tulosten pohjalta muodostettiin malli LPF hartsien moolimassajakaumien integroimiseksi sekä tehtiin havaintoja hartsien moolimassajakaumista, joita voidaan hyödyntää hartsilaatujen ja mittausmenetelmien edelleen kehittämisessä.
In this thesis, two different types of resin that are suitable for different application were studied. The total number of the resins which were analyzed by the SEC was 32. Some of the investigated resins had too high formaldehyde concentrations compared to standard values. In addition, the data of the measured properties (e.g. pH, alkalinity, dry matter content, viscosity) was used to calculate the correlations between the properties and the MWDs.
The results show that correlations can be found especially between the molecular weight distributions of LPF resin type A and its measured parameters. A clear correlation was observed between the proportion of resin components with a molecular weight > 2000 g/mol and the phenol substitution rate. In addition, the higher molecular weight area correlates with the B- time results. B-time is an analytical method for studying curing properties of the resin. Based on the above results, it can be concluded that LPF resin and lignin content can be found in this area. Furthermore, one interesting correlation was found between the free phenol content and the molecular weight area of 0‒60 g/mol. A similar correlation can also be observed with LPF resin type B. In turn, free formaldehyde content does not correlate in this molecular weight area for either of the studied resins. It was also found that LPF resins had higher content of small molecules (0‒200 g/mol) than PF resin. Based on the results, the integration model was formed for the MWD of LPF resins, and in general, the findings about the correlations between the MWDs of resins and their properties can be utilized in the further development of resin types and analytical methods.
Työssä tutkittiin kahta eri hartsityyppiä, jotka sopivat ominaisuuksiltaan eri käyttökohteisiin. Tutkittavia hartseja, joiden moolimassajakaumat analysoitiin SEC:n avulla oli yhteensä 32 kappaletta. Osan tutkituista hartseista vapaa formaldehydi pitoisuus oli liian korkea standardiarvoihin verrattuna. Lisäksi käytössä oli näiden hartsien ominaisuuksista (esimerkiksi pH, alkalisuus, kuiva-ainepitoisuus, viskositeetti) mitattuja tuloksia, joita käytettiin hartsin ominaisuuksien ja moolimassajakaumien välisten korrelaatioiden tutkimiseen.
Tulokset osoittavat, että etenkin hartsin A moolimassajakaumien ja hartsista mitattujen parametrien välillä voidaan löytää korrelaatioita. Työssä havaittiin myös selkeä korrelaatio hartsien komponenttien osuuden, joiden molekyylipaino on >2000 g/mol ja hartsin ligniinin määrän välillä. Korkeamman moolimassan alue korreloi lisäksi hartsista mitattujen B-aika-tulosten kanssa, jotka kertovat hartsin kovettumisominaisuuksista. Edellä mainittujen tulosten pohjalta voidaan päätellä, että LPF-hartsi ja ligniinipitoisuus voidaan erottaa tällä korkeamman moolimassan alueella. Yksi mielenkiintoinen korrelaatio oli vapaan fenolipitoisuuden ja molekyylipaino alueen 060 g/mol välillä. Vastaava korrelaatio voidaan havaita myös hartseilla B. Vapaa formaldehydi ei puolestaan korreloi tällä molekyylipaino alueella kummankaan hartsin tapauksessa. Tutkimuksissa myös havaittiin, että LPF hartseissa oli PF hartseja enemmän pieniä molekyylejä (0‒200 g/mol). Tulosten pohjalta muodostettiin malli LPF hartsien moolimassajakaumien integroimiseksi sekä tehtiin havaintoja hartsien moolimassajakaumista, joita voidaan hyödyntää hartsilaatujen ja mittausmenetelmien edelleen kehittämisessä.