Experimental Study on Evaluating the Adhesive Performance of Lignin under Different Pressure and Temperature Conditions

Abstract

The utilization of natural adhesives for wood-based products presents an eco-friendly alternative to synthetic adhesives, which are commonly associated with environmental and health concerns. Lignin, a major component of plant cell walls, has been explored for its potential as a natural adhesive. This thesis investigates the adhesive properties of lignins from various botanical origins and production processes in different forms, including powdered, supernatant, and as an impregnating solvent for delignified veneers. The adhesive effectiveness of lignin was compared to that of urea-formaldehyde, focusing on pressing parameters such as temperature and duration. Initial experiments utilized an Automated Bonding Evaluation System (ABES)-inspired setup to assess the adhesion strength of urea-formaldehyde across a range of conditions, providing a foundational comparison for the further examination of lignin-based adhesives. Lignin's adhesion was assessed in combination with starch, as well as in isolated forms. Further experiments considered the pressing time, treatment of veneers, and the impact of solvent choice on lignin's adhesive properties. While starch-based adhesives showed superior performance compared to lignin alone, neither natural adhesive could outperform urea-formaldehyde. However, certain lignins, especially those processed via Kraft and soda pulping, demonstrated promising adhesive properties under specific conditions. The investigation revealed the critical influence of botanical origin, production process, and pressing parameters on the effectiveness of lignin as an adhesive. Issues such as humidity control and the optimization of pressing conditions were identified as significant factors affecting adhesive performance. Although lignin-based adhesives have not yet reached the performance level of synthetic adhesives, this study underscores the potential of lignin as a natural adhesive, with specific pressing conditions and veneer treatments improving its performance. The findings highlight the necessity for further research into precisely defined pressing conditions tailored to the specific characteristics of different lignins. Additionally, the study provides a foundation for the development of eco-friendly adhesive alternatives and contributes to the understanding of natural product application in industrial contexts.

Die Verwendung von natürlichen Klebemitteln für Holzanwendungen stellt eine Alternative zu synthetischen Klebemitteln dar, die aufgrund ihrer schädlichen Wirkung auf Umwelt und Gesundheit in Verruf geraten sind. Lignin, ein Hauptbestandteil in den Zellwänden von Pflanzen, wurde auf seine Eignung als natürliches Klebemittel getestet. Diese Arbeit beschäftigt sich neben der Abhängigkeit der Klebefähigkeiten von botanischer Herkunft oder Herstellungsprozess der Lignine, auch mit der Verwendung der Lignine in unterschiedlichen Formen. Es wird in pulvrigem Zustand in Wasser oder Ethanol gelöst, der in Ethanol lösliche Teil und als Imprägnierungsmittel für delignifizierte Furniere untersucht. Die Klebefähigkeit der Lignine wurde mit dem synthetischen Kleber Harnstoff-Formaldehyd verglichen, wobei der Fokus auf Pressbedingungen, wie Temperatur und Pressdauer gerichtet war. Das verwendete Press- und Testsystem wurde durch das Automated Bonding Evaluation System (ABES) inspiriert. Zu Beginn wurde die Klebefestigkeit des synthetischen Klebers bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen und Presszeiten ermittelt. Dieser erste Schritt wurde vollzogen, um einen ersten Einblick in die Funktionsweise des Systems zu bekommen und um einen grundlegenden Vergleichswert für Lignin-basierte Kleber zu generieren. Die Klebefähigkeit von Ligninen wurde zusätzlich in Verbindung mit Stärke getestet, jedoch zum größten Teil in isolierter Form untersucht.Weitere Experimente berücksichtigten die Dauer des Pressvorgangs, die Modifikation der Furniere und die Abhängigkeit des Lösemittels, das für die Lignine verwendet wurde. Obwohl Stärke-basierte Klebstoffe bessere Klebeeigenschaften generierten, als jene, die durch Lignin allein erreicht werden konnten, konnte kein natürlicher Kleber mit dem synthetischen Haftmittel konkurrieren. Nichtsdestotrotz haben Lignine, insbesondere Lignine gewonnen durch Kraft- oder Soda-Aufschluss, vielversprechende Ergebnisse unter definierten Pressbedingungen geliefert. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die botanische Herkunft, der Herstellungsprozess der Lignine und die Pressparameter einen wesentlichen Einfluss auf die Klebefähigkeit der Lignine haben. Neben diesen Parametern konnte auch die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit als überaus wichtiger Faktor identifiziert werden. Obwohl Lignin-basierte Klebemittel noch nicht die gleiche Leistung wie synthetische Kleber erreichen, unterstreicht diese Studie das Potential der Lignine als natürliches Klebemittel. Exakt definierte Pressparameter und die Modifikation der Furniere können die Klebefähigkeit durchaus positiv beeinflussen. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass es noch weitere Untersuchungen benötigt, um die Pressbedingungen an die unterschiedlichen Eigenschaften der Lignine exakt anzupassen. Zusätzlich liefert diese Studie eine Grundlage für die Entwicklung von umweltfreundlichen Alternativen für Klebemittel und trägt zum Verständnis der industriellen Anwendung von Naturprodukten bei.