Pumpability, rheological behaviour and temperature stability of colloidal lignin suspensions and their applications

Abstract

Lignin in the form of colloidal lignin particle (CLP) suspensions has gathered significant attention in recent years due to its interesting qualities and wide range of possible applications. The downstreaming of the produced suspensions, as well as their further processing, is dependent on various properties. This thesis encompasses the study of colloidal lignin suspensions, combining two distinct yet interconnected domains: the fundamental investigation of pumpability and temperature stability and the importance of rheology and temperature in their applications. For the first part, this work focuses on colloidal lignin suspensions. The suspensions' flow behaviour was investigated through rheological measurements, allowing to shed light on their pumpability. Different influences on the rheological behaviour were analysed, such as various CLP concentrations, elevated temperatures, the particle size of the CLPs and the presence of additives and contaminations. Different suspensions' viscosity and flow curves were analysed and brought into context with dynamic light scattering (DLS) and scanning electron microscope (SEM) measurements. The flow curves at higher concentrations and temperatures revealed the non-newtonian character of the suspensions, particularly their shear thinning behaviour. In contrast, suspensions at low concentrations of 3 wt% showed nearly Newtonian behaviour similar to water. The measured dynamic viscosity values were converted into kinematic ones, allowing the highest concentrated suspension C220523 to be analysed and evaluated in terms of pumpability. The rheological measurements at different temperatures also revealed the necessity for temperature control during the pumping process, as elevated temperatures increase the suspensions' viscosities. While the primary particle size could be identified as a lesser influence on the rheological behaviour, the presence of additives and charged particles such as salts were revealed to be a crucial parameter that needs to be controlled.Additionally, the temperature sensitivity was rigorously examined through controlled heating experiments, providing crucial insights into the thermal limits and behaviour of the lignin particles within suspension systems. The results revealed the temperature sensitivity of the CLPs, since temperatures of up to 90°C lead to an increase in the particle size and the appearance of visible precipitating agglomerations. Different heating patterns and raw lignins led to varying amounts of agglomerates, while qualitative ultraviolet (UV) absorption and Fourier transform infrared (FTIR) measurements were used to show that the chemical structure remained unchanged.In the second part of this work, the focus shifts towards applying colloidal lignin suspensions in the production of Pickering emulsions, focusing primarily on personal care and cosmetic applications. By capitalising on their stabilising and anti-oxidative, and UV-blocking properties, the colloidal lignin suspensions were used to create emulsions with varying concentrations and pH levels. Rheological shear controlled and oscillatory measurements of emulsions with different amounts of CLPs revealed their shear thinning properties and increased yield stress with increasing concentration, allowing their characterisation regarding their stability, spreadability and skin feel. Since personal care products often contain various ingredients, the influence of pH on the Pickering emulsions rheology was also evaluated, with the results indicating higher emulsion stabilities for the emulsions with pH values between 3 - 7. Furthermore, the influence of temperature in the production methods on the efficacy of CLP applications is examined through a comparative study of hot and cold production processes for Pickering emulsions. In vitro sun protection factor (SPF) measurements were used to evaluate the varying production conditions on their performance impact of the resulting emulsions as a UV blocker, showing no relevant reduction in UV blocking ability between the two methods.

In den letzten Jahren hat Lignin in Form von Suspensionen kolloidaler Ligninpartikel (CLP, colloidal lignin particles) aufgrund seiner interessanten Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten große Aufmerksamkeit erlangt. Das Downstreaming der hergestellten Suspensionen sowie deren Weiterverarbeitung ist von verschiedenen Eigenschaften abhängig. Diese Arbeit umfasst die Untersuchung von kolloidalen Ligninsuspensionen und kombiniert zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Bereiche: die grundlegende Untersuchung der Pumpbarkeit und Temperaturstabilität der Suspensionen und die Bedeutung von Rheologie und Temperatur in ihren Anwendungen. Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um kolloidale Ligninsuspensionen. Durch rheologische Messungen wurde das Fließverhalten der Suspensionen untersucht, was Aufschluss über deren Pumpfähigkeit gibt. Es wurden verschiedene Einflüsse auf das rheologische Verhalten analysiert, wie unterschiedliche CLP-Konzentrationen, erhöhte Temperaturen, die Partikelgröße der CLPs sowie das Vorhandensein von Zusatzstoffen und Verunreinigungen.Sowohl die Viskositäts- als auch die Fließkurven der verschiedenen Suspensionenwurden analysiert und mit Messungen der dynamischer Lichtstreuung (DLS, dynamiclight scattering) und mittels Rasterelektronenmikroskop (SEM, scanning electron microscope) in Zusammenhang gebracht. Die Fließkurven bei höheren Konzentrationen und Temperaturen zeigten den nicht-newtonschen Charakter der Suspensionen auf, insbesondereihr strukturviskosem (scherverd ünnendem) Verhalten, während Suspensionen bei niedrigen Konzentrationen von 3 Gew.% ein nahezu newtonsches, wasser-ähnliches Verhalten zeigten. Durch Dichtemessungen wurden die dynamischen Viskositätswerte in kinematische umgewandelt, so dass die höchstkonzentrierte Suspension C220523 analysiert und hinsichtlich ihrer Pumpbarkeit bewertet werden konnte. Die rheologischen Messungen bei verschiedenenTemperaturen zeigten auch die Notwendigkeit einer Temperaturkontrolle während des Pumpvorgangs auf, da erhöhte Temperaturen zu einer erhöhten Viskosität der Suspensionen führten. Während die primäre Partikelgröße einen geringeren Einfluss auf das rheologische Verhalten zeigte, erwies sich das Vorhandensein von Additiven und geladenen Partikeln wie Salzen als ein entscheidender zu kontrollierender Parameter. Darüber hinaus wurde die Temperaturempfindlichkeit durch kontrollierte Erhitzungsexperimente eingehend untersucht, was wichtige Erkenntnisse über die thermischen Grenzen und das Verhalten der Ligninpartikel in Suspensionssystemen lieferte. Die Ergebnisse zeigten die Temperaturempfindlichkeitder CLPs, da Temperaturen von bis zu 90°C zu einer Zunahme der Partikelgröße sowie zum Auftreten von sichtbaren Ausfällungsagglomerationen führten. Verschiedene Erhitzungsmuster und Roh-Lignine führten zu unterschiedlichen Mengen an Agglomeraten, während qualitative UV-Absorptions- und Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR, fourier transformed infrared) Messungen zeigten, dass die chemische Struktur unverändert blieb. Im zweiten Teil der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Anwendung kolloidaler Ligninsuspensionen bei der Herstellung von Pickering-Emulsionen, besonders im Bereich der Körperpflege- und Kosmetikanwendungen. Unter Ausnutzung ihrer stabilisierenden sowie antioxidativen und UV-blockierenden Eigenschaften wurden die kolloidalen Ligninsuspensionen zur Herstellung von Emulsionen mit unterschiedlichen Konzentrationen und pH-Werten eingesetzt. Scherraten kontrollierte und oszillatorische Messungen des rheologischen Verhaltens von Emulsionen mit unterschiedlichen Mengen an CLP zeigten deren strukturviskose Eigenschaften und eine Zunahme der Fließspannung mit zunehmender Konzentration, was ihre Charakterisierung in Bezug auf ihre Stabilität, Verteilbarkeit und ihr Hautgefühl ermöglichte. Da Körperpflegeprodukte häufig verschiedene Inhaltsstoffe beinhalten, wurde auch der Einfluss des pH-Werts auf die Rheologie der Pickering-Emulsionen untersucht, wobei die Ergebnisse auf eine höhere Stabilität der Emulsionen bei pH-Werten zwischen 3 und 7 hindeuteten. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Produktionstemperatur auf die Wirksamkeit von CLP-Anwendungen untersucht, indem ein Vergleich von heißen und kalten Produktionsverfahren für Pickering-Emulsionen durchgeführt wurde. Mit Hilfe von in-vitro-Messungen wurden die unterschiedlichen Produktionsbedingungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Leistung der resultierenden Emulsionen als UV-Blocker bewertet.