Synthesis and Properties of Organic Xerogels from Pine Bark and Wood Polyphenols

Abstract

The paper describes a promising route for the synthesis of novel organic xerogels from naturally occurring, renewable resources using pine-derived polyphenols as suitable initial precursors with relatively low cost. Methods of organic xerogels synthesis based on the use of condensed tannins and ethanol lignin isolated respectively from pine bark and wood are proposed. The effect of cross-linking agent nature – formaldehyde or furfuryl alcohol on the porous structure of resulting organic tannin (lignin)-formaldehyde and tannin (lignin)-furfuryl xerogels was established. Denser tannin-formaldehyde xerogels are subjected to shrinkage (up to 50 %) in processes of drying, and their bulk density ranges in 0.73–0.80 g/cm3. Porous tannin-furfuryl xerogels almost do not shrink at drying and have bulk density 0.30–0.42 g/cm3. The addition of ethanol lignin to the reaction mixture decreases the shrinkage of organic xerogels, whereas the addition of surfactant has a weak effect on the shrinkage. The chemical and porous structure of organic xerogels was investigated by FTIR, BET and SEM methods. FTIR results showed that lignin-containing xerogel possesses more numerous surface functional groups due to an inclusion of ethanol lignin in the gel structure. According to SEM, the three-dimensional network is characteristic for tannin-formaldehyde xerogels which is built from crosslinked polymer chains formed by globular particles with size about 40–50 nm. The tannin-furfuryl xerogels structure is formed by large agglomerates of particles with size up to 100–150 nm

В статье описывается перспективный путь синтеза новых органических ксерогелей из природных возобновляемых ресурсов с использованием полифенолов сосны в качестве подходящих исходных предшественников с относительно низкой стоимостью. Предложены методы синтеза органических ксерогелей, основанные на использовании конденсированных дубильных веществ и этаноллигнина, выделенных соответственно из коры и древесины сосны. Установлено влияние природы сшивающего агента – формальдегида или фурфурилового спирта на пористую структуру образующихся органических таннин(лигнин)-формальдегидных и таннин(лигнин)-фурфуриловых ксерогелей. Более плотные таннин-формальдегидные ксерогели подвержены усадке (до 50 %) в процессах сушки, и их насыпная плотность колеблется в пределах 0,73–0,80 г/см3. Пористые таннин-фурфуриловые ксерогели практически не дают усадки при высыхании и имеют насыпную плотность 0,30–0,42 г/см3. Добавление в реакционную смесь этаноллигнина снижает усадку органических ксерогелей, а добавление ПАВ слабо влияет на усадку. Химическую и пористую структуру органических ксерогелей исследовали методами FTIR, BET и SEM. Результаты ИК-Фурье показали, что ксерогель, содержащий лигнин, имеет большее количество поверхностных функциональных групп за счет включения в структуру геля этаноллигнина. По данным СЭМ, для таннин-формальдегидных ксерогелей характерна трехмерная сетка, построенная из сшитых полимерных цепей, образованных глобулярными частицами размером около 40–50 нм. Структура таннин-фурфуриловых ксерогелей образована крупными агломератами частиц размером до 100–150 нм