Binderless fiberboard production from Cynara cardunculus and Vitis vinifera

Abstract

Binderless fiberboard production from Cynara cardunculus and Vitis vinifera<br/>Two lignocellulosic materials, Cynara cardunculus and Vitis vinifera, were pretreated and used to produce fiberboards without synthetic adhesives. The lignocellulosic materials were steam exploded through a thermo-mechanical vapor process in a batch reactor. After pretreatment the materials were dried, ground and pressed to produce the boards. The effects of pretreatment factors and pressing conditions on the chemical and physicomechanical properties of the fiberboards were evaluated and the conditions that optimize these properties were found. Response surface methodology based on a central composite design and multiple response optimization were used. The variables studied were: pretreatment temperature, pretreatment time, pressing temperature, pressing pressure, and pressing time. <br/>Binderless fiberboards produced from Cynara cardunculus stalks at the optimum conditions found fulfilled the European standards for boards of internal use. Nevertheless, binderless fiberboards produced from Vitis vinifera prunings at the optimum conditions found for this material did not completely met the European standards; modulus of rupture and internal bond values for these boards were lower than required minimums.<br/>Simultaneously, commercial Kraft lignin was reacted in an alkaline medium to enhance its adhesive properties. Chemical changes in reacted Kraft lignins that include ash content, Klason lignin, acid-soluble lignin and sugars were determined, as well as, structural characteristics of these lignins in terms of phenolic hydroxyl, aliphatic hydroxyl, methoxyl, carbonyl, Mw, Mn and polydispersity. The effects of reaction temperature and reaction time on lignin properties were studied using response surface methodology, and optimal reaction conditions were found.<br/>Two different types of Kraft lignin were used, alkali treated Kraft lignin and crude acid-washed Kraft lignin, as additives to enhance the physicomechanical properties of binderless fiberboards produced from Vitis vinifera to reach and overcome the European standards completely. At the end fiberboards produced with 20% of Vitis vinifera fibers replaced by crude acid-washed Kraft lignin were able to meet the European standards completely.<br/>This research work was an effort to reduce our dependency upon petroleum derivates, to diminish deforestation and to increase the use of renewable and biodegradable materials with the intention of preserving the environment and to encourage a sustainable development of our society.

Producción de Tableros de Fibras a partir de Cynara cardunculus y Vitis vinifera<br/>En el presente estudio trozos Cynara cardunculus y Vitis vinifera fueron pretratados, y usados para producir tableros de fibras sin adhesivos sintéticos. Estos materiales lignocelulósicos se explotaron con vapor a través de un proceso termomecánico de vapor en un reactor por lotes. Después del pretratamiento el material fue secado, molido y prensado en caliente para producir los tableros. Se evaluaron los efectos de los factores del pretratamiento (temperatura de reacción y tiempo de reacción) y las condiciones de prensado (presión de prensado, temperatura y tiempo) sobre las propiedades químicas y físico-mecánicas de los tableros de fibras y se establecieron las condiciones que optimizan dichas propiedades. Las propiedades físico-mecánicas de los tableros de fibras que fueron estudiadas son: densidad, módulo de elasticidad (MOE), módulo de ruptura (MOR), enlace interno (IB), absorción de agua (WA) y hinchazón en hinchazón (TS) y las propiedades químicas estudiadas de la materia prima y el material pretratado fueron las siguientes: Cenizas, contenido de lignina Klason, contenido de celulosa y contenido de hemicelulosas. Se uso una metodología de superficie de respuesta basada en un diseño de experimentos del tipo central compuesto y una metodología de optimización de respuesta múltiple.<br/>Los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de tallos de Cynara cardunculus a las condiciones óptimas encontradas cumplieron con las normas europeas para los tableros de uso interno. Sin embargo, los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de podas de Vitis vinifera a las condiciones óptimas encontradas para este material no cumplieron totalmente las normas europeas; los valores del módulo de ruptura y del enlace interno para estos tableros fueron inferiores a los mínimos requeridos. <br/>Una lignina Kraft comercial fue sometida a reacción en un medio alcalino para mejorar sus propiedades adhesivas. Se determinaron los cambios químicos en las ligninas Kraft tratadas, las propiedades medidas fueron: contenido en cenizas, lignina Klason, lignina soluble en ácido y azúcares, también se determinaron las características estructurales de estas ligninas en términos de hidroxilos fenólicos, hidroxilos alifáticos, metóxilos, carbonilos, Mw, Mn y polidispersidad. Se estudiaron los efectos de la temperatura de reacción y el tiempo de reacción sobre las propiedades de la lignina con una metodología de superficie de respuesta, y se encontraron la condiciones óptimas de reacción.<br/>Se usaron dos tipos diferentes de lignina Kraft, lignina Kraft tratada en medio alcalino y lignina Kraft cruda lavada con ácido, como aditivos para mejorar las propiedades físico-mecánicas de los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de Vitis vinifera, para alcanzar y superar las normas europeas completamente. Al final los tableros de fibras producidos con una substitución del 20% de fibras de Vitis vinifera por lignina Kraft cruda lavada con ácido fueron capaces de satisfacer las normas europeas por completo.Este trabajo de investigación fue un esfuerzo para reducir nuestra dependencia de los derivados del petróleo, para disminuir la deforestación y para aumentar el uso de materiales renovables y biodegradables con la intención de preservar el medio ambiente y fomentar un desarrollo sostenible de nuestra sociedad.