Ligniini filmit – valmistus ja karakterisointi

Due to the increased awareness of the negative effects of petroleum-based products, biobased alternatives have been considered for their suitability and environmental friendliness. Among these, lignin macromolecules have several interesting properties, related to their role in mass transport (barrier), as well as antioxidative, antimicrobial and UV-blocking activity. Moreover, lignin is less hydrophilic compared to most biobased polymers. However, to facilitate lignin`s use in applications, its chemical heterogeneity should be reduced, which can be accomplished via fractionation. Thus, the aim of this thesis was to study the relationship between the structure and properties of lignin by preparing supported films from kraft lignin and its fractions. Further, to provide preliminary information about which fractions would function better in given applications, particularly in food packaging and edible films, was targeted. The physicochemical properties of the lignins were studied by using spin-coated films. Atomic force microscopy, contact angle measurement and X-ray photoelectron spectroscopy were used to investigate the topography, wettability and surface chemical composition of the films. More heterogeneous, globular structured films were obtained from the unfractionated kraft lignin and its soluble fractions when polystyrene was used as a prime layer on the silica wafer substrates. The critical surface energy was quantified based on results from contact angle measurements with different liquids. Small differences in surface energy were determined. The higher critical surface tension obtained for unfractionated kraft lignin was partly related to its larger carbohydrate content. Heat treatments applied on the films showed that their hydrophobicity increased to the same level regardless of the differences in the lignin structures between the fractions. Moreover, the polystyrene pre-layer had an increasing effect on the hydrophobicity which was attributed to lignin and polystyrene fusing together during the thermal treatment. XPS measurement revealed that during heating the oxygen content increased. Hence, the degradation of carbohydrates was responsible for the increased hydrophobicity. No significant differences between lignin fractions in wetting or hydrophobicity after heating were observed. Thus, based on this study, all the fractions have similar potential for utilization that require given surface chemical behaviours, such as in food products. Basic research on the film properties, such as water interaction and viscoelasticity, should be carried out next in order to gain more knowledge on lignin`s behaviour.Kasvava tietoisuus öljypohjaisten tuotteiden negatiivisista vaikutuksista on lisännyt biopolymeerien kiinnostavuutta ympäristöystävällisempinä vaihtoehtoina erilaisissa tuotteissa. Ligniinillä on useita kiinnostavia ominaisuuksia liittyen esimerkiksi sen rooliin aineen kulkeutumisessa, sekä sen antioksidatiiviseen ja antimikrobiseen aktiivisuuteen. Jotta näitä ominaisuuksia voitaisiin hyödyntää sovelluksissa, ligniinin kemiallisen rakenteen monimutkaisuutta pitää vähentää. Tämä voidaan saavuttaa ligniinin fraktioinnilla. Täten tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia ligniinin rakenteen ja ominaisuuksien välistä suhdetta valmistamalla ligniinifilmejä sulfaattiligniinistä ja sen fraktioista. Lisäksi tarkoituksena oli saada käsitys siitä, mihin sovelluksiin tietyt fraktiot sopisivat paremmin kuin toiset, erityisesti elintarvikepakkauksissa ja syötävissä filmeissä. Ligniinin fysikaaliskemiallisia ominaisuuksia tutkittiin käyttämällä spin-päällystettyjä filmejä. Atomivoimamikroskopiaa (AFM), kontaktikulmamittausta ja röntgenfotoelektronispektroskopiaa (XPS) käytettiin filmien topografian, kosteusalttiuden ja pinnan kemiallisen koostumuksen tutkimiseen. Tasaisempia, pallomaisista rakenteista koostuvia filmejä saatiin valmistettua sulfaattiligniinistä ja sen liukenevista fraktioista polystyreenipäällysteiselle piipinnalle. Kriittinen pintajännitys määritettiin mittaamalla kontaktikulma erilaisilla nesteillä. Eri fraktioiden välillä ei havaittu suuria eroja. Fraktioimattoman sulfaattiligniinin korkeampi kriittinen pintajännitys yhdistettiin osittain korkeaan hiilihydraattipitoisuuteen. Ligniinifilmien lämpökäsittely osoitti, että hydrofobisuus nousi samalle tasolle riippumatta eri ligniinirakenteista. Lisäksi polystyreenikerros nosti hydrofobisuutta, johtuen sen sekoittumisesta ligniinin kanssa lämpökäsittelyn aikana. XPS mittaus osoitti, että hapen osuus filmeissä kasvoi käsittelyn aikana. Täten hiilihydraattien hajoaminen aiheutti hydrofobisuuden kasvun. Kosteusalttiudessa ja hydrofobisuudessa ei havaittu suuria eroja ligniinin eri fraktioiden välillä. Siksi tämän tutkimuksen perusteella kaikilla käytetyillä fraktioilla on yhtä suuri potentiaali elintarviketuotteissa, joissa vaaditaan tiettyjä pintakemiallisia ominaisuuksia. Ligniinifilmien perustutkimusta, liittyen esimerkiksi vesivuorovaikutuksiin tai viskoelastisuuteen, tulisi jatkaa, jotta tietämys ligniinin käyttäytymisestä voi kasvaa