Foaming and chemical foam control of lignin-phenol-formaldehyde (LPF) adhesives

Abstract

Phenol-formaldehyde resins are a commonly used raw material in plywood adhesives. Lignin is a bio-based polymer that can be used as a partial phenol replacement to create lignin-phenol-formaldehyde (LPF) resins. Foaming is a natural phenomenon caused by continuous formation of bubbles that often negatively affects the quality of the adhesive. The objective of this thesis was to study the mechanism of foam formation and contribution of chemical additives. In the experimental part, efficiency of commercial foam control agents was measured while viscosity development was monitored. Based on the results, an optimal addition point for the chemicals was determined along with evaluation on the defoamers’ efficiency and the selected test method.

The efficiency of defoamers in the adhesive was tested in laboratory scale by calculating a volume of air formed during mechanical stirring. The method was described by Evonik Industries AG to evaluate foamability of medium viscosity formulations and compare the performance of individual additives. The trials were conducted in two stages including preliminary and final trials in which the defoamers were added in two variations of addition point and dosage. After that, the best two of the defoamers were chosen based on the preliminary results and further tested in the final trials with one dosage. In both trials the tests were conducted on LPF resin formulated with two different hardeners and with an inclusion of a surface-active agent in the finals. Whilst, the development of viscosity was monitored by Brookfield viscosity in the resin and Flow viscosity in the adhesive, to assess any correlation to the foam volume.

The defoamers showed relatively poor performance as no significant decrease in the volume of air was detected. Visible differences in foam levels were attained by a comparison of the two hardeners as well as between the defoamer additions points. The presence of the surface-active agent expectedly contributed to an overall increase in the foam levels and viscosity by lowering the surface tension and stabilizing the foam. On the contrary, no visible viscosity correlation was detected with the use of defoamers. It was concluded that the test method possessed operational challenges, which contributed to some unexpected results.

Fenoli-formaldehydihartsit ovat yleisiä vaneriliimojen raaka-aineita. Ligniini on biopolymeeri, jolla voidaan korvata fenolia ligniini-fenoli-formaldehydihartsien (LPF) valmistuksessa. Vaahtoaminen on kaasukuplien nesteeseen muodostama ilmiö, jolla on usein negatiivinen vaikutus liiman laatuun. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia vaahdon muodostumisen mekanismia ja siihen liittyvien kemiallisten lisäaineiden vaikutusta. Kokeellisessa osiossa mitattiin vaahdonestoaineiden tehokkuutta samalla seuraten viskositeetin kehitystä. Tulosten perusteella voitiin määrittää optimaalinen kohta lisäaineiden lisäykselle liiman valmistuksen aikana sekä arvioida vaahdonestoaineiden tehokkuutta ja testauksiin valitun menetelmän toimivuutta.

Vaahdonestoaineiden tehokkuus määritettiin laboratoriossa laskemalla sekoituksen aikana muodostuneen ilman määrä. Menetelmä oli Evonik Industries AG:n kehittelemä, jolla voitiin arvioida korkea viskositeettisten nesteiden vaahtoamista ja vertailla yksittäisten lisäaineiden vaikutusta. Kokeet suoritettiin kahdessa osassa sisältäen alkutestaukset ja lopputestaukset, joiden aikana vaahdonestoaineet lisättiin kahdessa eri kohdassa ja annostuksessa. Alkutestien jälkeen kaksi parasta vaahdonestoainetta valittiin jatkoon ja kokeet toistettiin yhdellä annostuksella. Molemmissa osissa testit suoritettiin kahdella eri LPF-liimalla, jotka oli valmistettu eri kovetteilla ja lisäksi lopputestauksissa liiman lisättiin pinta-aktiivinen kemikaali. Kokeiden aikana viskositeetin kehitystä seurattiin mittaamalla Brookfield-viskositeettia hartsista ja Flow-viskositeettia liimasta.

Kokeiden aikana vaahdonestoaineiden suoriutuminen oli suhteellisen heikkoa eikä merkittävää vaahdon määrän vähentymistä tapahtunut. Kovetteiden väliset erot vaahtoamisessa olivat huomattavia samoin kuin erot vaahdonestoaineiden lisäyskohtien välillä. Pinta-aktiivinen kemikaali odotetusti nosti kokonaisvaahdon määrää ja viskositeettia alentamalla liiman pintajännitystä ja stabiloimalla vaahtoa. Toisaalta vaahdonestoaineiden korrelaatiota viskositeettiin ei ollut huomattavissa. Kokeiden perusteella voitiin päätellä, että testausmenetelmän operatiiviset ongelmat olivat syynä joihinkin odottamattomiin tuloksiin.