Lignin-based fire retardants for wood-based panels
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
57
Series
Abstract
Fire-retardants are a class of materials designed self-extinguish or inhibit spread of flames during combustion. The increased use of fire-retardants has led to a decrease in fire related deaths and overall contributed towards improved fire safety. However, many traditional fire-retardants are based on harmful chemicals, and many safer alternatives are researched. One such potential alternative is lignin, a biopolymer produced by plants that is recovered in high amounts as a technical side-product in pulp mills. The purpose of this study was to modify softwood Kraft lignin by phosphorylation and nitrogenation, and then test the modified lignin in a commercial coating to verify if it could improve the fire retardance of wood-based panels. Lignin was phosphorylated with sodium trimetaphosphate or aminated with 2-chloroethylamine. Additionally, aminated lignin was phosphorylated to add both phosphorous and nitrogen groups. XRF and elemental analysis were used to quantify the phosphorous and nitrogen content of the modified lignins. Up to 4.1 wt.% phosphorous content was reached with lignin phosphorylation, while up to 8.5 wt.% nitrogen with lignin amination. FTIR was used to confirm successful chemical reaction. TGA showed that the phosphorylated lignin had greater thermal resistance than unmodified or aminated lignin. The modified lignins were mixed with the reference coating at 5 and 10 wt.%. The coated panels were tested with cone calorimetry and reaction to fire tests. Unexpectedly, the panel coated with the unmodified coating showed the best results at the cone calorimeter. This notwithstanding, the lignin that was both phosphorylated and nitrogenated reported the longest time to ignition and lowest peak heat release rate, and the vertical burning test showed the modified lignins could prevent after-flame. Despite the TGA tests, no char formation was noticed.Palosuoja-aineet ovat materiaaleja, jotka ovat suunniteltu sammumaan itsestään tai estämään liekkien leviämistä. Palosuoja-aineiden lisääntynyt käyttö on vähentänyt tulipaloihin liittyviä kuolemia ja parantanut paloturvallisuutta yleisesti. Monet perinteiset palosuoja-aineet perustuvat haitallisiin kemikaaleihin, ja turvallisempia vaihto-ehtoja on tutkittu. Yksi mahdollinen vaihtoehto on ligniini, kasvien tuottama biopolymeeri, jota saadaan suuria määriä sivutuotteena sellutehtaissa. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää ligniinin aminoinnin ja fosforoinnin vaikutusta ligniinillä pinnoitettujen puupaneelien palosuojaominaisuuksiin. Ligniini fosforoitiin natrium-trimetafosfaatilla ja aminoitiin 2-kloorietyyliamiinilla. Lisäksi aminoitu ligniini fosforoitiin typen ja fosforin yhteisvaikutuksen selvittämiseksi. Fosforin ja typen määrä muokatuissa ligniineissä määritettiin röntgenfluorosenssimenetelmällä ja alkuaineanalyysillä. Muokatun ligniinin fosforipitoisuus oli korkeimmillaan 4,1 % ja typpipitoisuus 8,5 %. Termogravimetrinen analyysi (TGA) osoitti, että fosforoidulla ligniinillä oli suurempi lämmönvastus verrattuna muokkaamattomaan ja aminoituun ligniiniin. Muokattuja ligniinejä lisättiin 5 ja 10 % vertailupinnoitteeseen. Pinnoitetut puupaneelit testattiin kartiokalorimetrillä ja vertikaalisella polttokokeella. Yllättäen, muokkaamattomalla ligniinillä pinnoitetut koekappaleet antoivat parhaat tulokset kartiokalorimetrillä. Kuitenkin aminoidun ja fosforoidun ligniinin lisäys johti pisimmän syttymisaikaan ja matalimman lämmönvapautusnopeuden huippuun. Vertikaalinen polttokoe osoitti, että muokattu ligniini voi estää jälkiliekkien muodostumisen. TGA-testeistä poiketen, hiiltymää ei havaittu palokokeissa.Description
Supervisor
Vuorinen, TapaniThesis advisor
Kaabel, SandraCeccherini, Sara