Structuring bio-based composites from fiber to lignin : silylation strategy for enhancing poly (lactic acid) / lignocellulosic biocomposites properties

Abstract

Resumo: A transição para uma economia sustentável exige materiais que não apenas substituam opções baseadas em combustíveis fósseis, mas também ofereçam desempenho competitivo e maior circularidade. Biopolímeros e reforços lignocelulósicos fornecem uma alternativa sustentável, reduzindo a dependência de recursos fósseis e permitindo o uso de materiais renováveis. Nesse contexto, as biorrefinarias são essenciais para converter biomassa em materiais funcionais, auxiliando na substituição gradual de derivados de petróleo. No entanto, desenvolver biocompósitos de alto desempenho continua sendo desafiador devido à baixa compatibilidade entre matrizes poliméricas hidrofóbicas e biomassa hidrofílica. Ajustar as interações interfaciais é, portanto, fundamental para garantir resistência mecânica, durabilidade e desempenho a longo prazo. Este estudo explora as relações estrutura–propriedade em biocompósitos de poliácido láctico (PLA) reforçados com polpa de madeira moída (SGW) e frações de lignina, enfocando como modificação química por sililação e branqueamento das fibras afeta a adesão interfacial. Fibras de SGW (20 e 30 % em massa) foram sililadas com (3-glicidiloxipropil)trimetoxisilano (GPS) em proporções entre 3 e 10 % para melhorar a ligação matriz-fibra. Testes reológicos mostraram que fibras não branqueadas, com maior teor de lignina e razão de aspecto, promoveram melhor estruturação e a maior resistência à tração (14 % e 27 % para 20 e 30 % SGW, respectivamente). O melhor reforço ocorreu com 30 % SGW modificado com 5–7 % GPS, produzindo propriedades termomecânicas semelhantes às de compósitos comerciais de polipropileno. Após o branqueamento, a morfologia das fibras mudou, aumentando finos e reduzindo comprimento, o que enfraqueceu a rede e o módulo de armazenamento, embora tenha melhorado a fluidez. Uma estratégia complementar de compatibilização foi avaliada em filmes de PLA-lignina com ligninas de madeira macia (LS) e dura (LH) modificadas com 1–5 % de GPS. As ligninas sililadas aumentaram a viscosidade do PLA, evidenciando ligação interfacial mais eficiente, enquanto LS promoveu maior nucleação que LH. As propriedades mecânicas melhoraram mais em filmes de LH com 1 % de GPS. Todos os filmes forneceram forte bloqueio de UV, ampliando seu potencial para embalagens. Os resultados destacam que a engenharia interfacial via sililação com GPS é essencial para otimizar a compatibilidade entre biomassa e polímero. Ao ajustar a estrutura química de fibras naturais de fontes renováveis e aprimorar a química interfacial, é possível produzir biocompósitos que unem sustentabilidade e desempenho comparável ao de plásticos convencionais

Abstract: The transition toward a bio-based economy demands materials that not only replace fossil-based options but also offer competitive performance and better circularity. Biopolymers and lignocellulosic reinforcements provide a sustainable alternative, decreasing reliance on fossil resources and enabling renewable material use. In this context, biorefineries are crucial for converting biomass into functional materials, assisting the gradual replacement of petroleum derivatives. However, developing high-performance biocomposites remains difficult due to the poor compatibility between hydrophobic polymer matrices and polar biomass. Therefore, adjusting interfacial interactions is key to maintaining mechanical strength, durability, and long-term material performance. This study explores structure-property relationships in poly (lactic acid) (PLA) based biocomposites reinforced with stone groundwood (SGW) pulp and lignin fractions, focusing on how chemical modification, silylation, and fiber bleaching affect interfacial adhesion. First, SGW fibers (20 and 30 wt.%) were silylated with concentrations of 3–10 wt.% of (3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPS) to improve matrix–fiber bonding. Rheological tests showed that unbleached fibers, which retain higher lignin content and aspect ratio, promoted better melt structuring and achieved the highest increases in tensile strength (14% and 27% for 20 and 30 wt% SGW, respectively). The best reinforcement was found with 30 wt% SGW modified with 5 and 7 wt.% GPS, producing thermo-mechanical properties similar to those of commercial polypropylene composites. After progressive bleaching, the fiber morphology changed by increasing fines and reducing fiber length, which weakened fiber networking and storage modulus, even though it improved flowability. A complementary compatibilization strategy was assessed for PLA–lignin films using softwood (LS) and hardwood (LH) lignins modified with 1–5 wt% GPS. Silylated lignins increased PLA viscosity, demonstrating more effective interfacial bonding, while LS showed higher nucleating effects than LH. Mechanical properties were most improved for LH films containing GPS at 1 wt%. All PLA-lignin films provided strong UV-blocking capability, expanding potential application in packaging. Overall, the results showed that interfacial engineering through GPS-based silylation is a key strategy for optimizing biomass–polymer compatibility. By altering the chemical structure of bio-based fillers, improving interfacial chemistry, it is possible to produce biocomposites that combine sustainability with performance similar to conventional plastics