The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

Thermo-Structural Analysis of 3D Composites

Three dimensional (3D) composites are strong contenders for the structural applications in situations like aerospace,aircraft and automotive industries where multidirectional thermal and mechanical stresses exist. The presence of reinforcement along the thickness direction in 3D composites,increases the through the thickness stiffness and strength properties.The 3D preforms can be manufactured with numerous complex architecture variations to meet the needs of specific applications.For hot structure applications Carbon-Carbon(C-C) composites are generally used,whose property variation with respect to temperature is essential for carrying out the design of hot structures.The thermomechanical behavior of 3D composites is not fully understood and reported.The methodology to find the thermomechanical properties using analytical modelling of 3D woven,3D 4-axes braided and 3D 5-axes braided composites from Representative Unit Cells(RUC's) based on constitutive equations for 3D composites has been dealt in the present study.High Temperature Unidirectional (UD) Carbon-Carbon material properties have been evaluated using analytical methods,viz.,Composite cylinder assemblage Model and Method of Cells based on experiments carried out on Carbon-Carbon fabric composite for a temparature range of 300 degreeK to 2800degreeK.These properties have been used for evaluating the 3D composite properties.From among the existing methods of solution sequences for 3D composites,"3D composite Strength Model" has been identified as the most suitable method.For thegeneration of material properies of RUC's od 3D composites,software has been developed using MATLAB.Correlaton of the analytically determined properties with test results available in literature has been established.Parametric studies on the variation of all the thermomechanical constants for different 3D performs of Carbon-Carbon material have been studied and selection criteria have been formulated for their applications for the hot structures.Procedure for the structural design of hot structures made of 3D Carbon-Carbon composites has been established through the numerical investigations on a Nosecap.Nonlinear transient thermal and nonlinear transient thermo-structural analysis on the Nosecap have been carried out using finite element software NASTRAN.Failure indices have been established for the identified performs,identification of suitable 3D composite based on parametric studies on strength properties and recommendation of this material for Nosecap of RLV based on structural performance have been carried out in this Study.Based on the 3D failure theory the best perform for the Nosecap has been identified as 4-axis 15degree braided composite.

Simultaneous determination of nonlinear optical and thermo-optic parameters of liquid samples

The authors apply the theory of photothermal lens formation and also that of pure optical nonlinearity to account for the phase modulation in a beam as it traverses a nonlinear medium. It is used to simultaneously determine the nonlinear optical refraction and the thermo-optic coefficient. They demonstrate this technique using some metal phthalocyanines dissolved in dimethyl sulfoxide, irradiated by a Q-switched Nd:YAG laser with 10 Hz repetition rate and a pulse width of 8 ns. The mechanism for reverse saturable absorption in these materials is also discussed.

Thermo- Optic and Nonlinear-Optical studies on CdSe Quantum Dots for Photonic Applications

In general, linear- optic, thermo- optic and nonlinear- optical studies on CdSe QDs based nano uids and their special applications in solar cells and random lasers have been studied in this thesis. Photo acous- tic and thermal lens studies are the two characterization methods used for thermo- optic studies whereas Z- scan method is used for nonlinear- optical charecterization. In all these cases we have selected CdSe QDs based nano uid as potential photonic material and studied the e ect of metal NPs on its properties. Linear optical studies on these materials have been done using vari- ous characterization methods and photo induced studies is one of them. Thermal lens studies on these materials give information about heat transport properties of these materials and their suitability for applica- tions such as coolant and insulators. Photo acoustic studies shows the e ect of light on the absorption energy levels of the materials. We have also observed that these materials can be used as optical limiters in the eld of nonlinear optics. Special applications of these materials have been studied in the eld of solar cell such as QDSSCs, where CdSe QDs act as the sensitizing materials for light harvesting. Random lasers have many applications in the eld of laser technology, in which CdSe QDs act as scattering media for the gain.

Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für eine thermo-mechanisch hergestellte Flanschwelle mit gradiertem Gefüge

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur mechanismenorientierten Lebensdauervorhersage entwickelt und auf eine Flanschwelle mit gradiertem Gefüge übertragen. Das Konzept wird in Form eines Computercodes (LOCC) zur Anwendung gebracht. Basierend auf lokalen Spannungen wird für jedes Element eines FE-Modells eine bedingte Versagenswahrscheinlichkeit berechnet. Mithilfe bruch- und ggf. mikromechanischer Modelle werden lokale kritische Risslängen und die bei gegebener Lebensdauer zugehörigen Anfangsrisslängen bestimmt. Diese werden mit geeigneten Modellen in mikrostrukturelle Größen überführt. Die Lebensdauerverteilung der Komponente ergibt sich schließlich aus der Verteilungsfunktion der Anfangsrisslängen bzw. der zugehörigen mikrostrukturellen Einheiten. Die betrachtete Flanschwelle weist als Ergebnis eines thermo-mechanischen Umformprozesses ein gradiertes Gefüge auf. Das Ermüdungsverhalten der Hauptphasen Ferrit-Perlit und Martensit wird untersucht. Während ausgewählter Ermüdungsversuche wird die Schädigungsentwicklung an der Oberfläche mit einem langreichweitigen Mikroskop beobachtet. Das ferritisch-perlitische Ausgangsgefüge zeigt eine sehr komplexe Schädigungsentwicklung (lokale plastische Aktivität, hohe Rissdichte), während beim Martensit keine multiple Rissinitiierung beobachtet wird. Anhand fraktographischer Untersuchungen wird dargelegt, dass der Hauptriss beim Martensit im Bereich von Karbidanhäufungen initiiert. Im LCF-Bereich wird nur ein verschwindender Anteil der Lebensdauer mit Langrisswachstum verbracht, d. h. die martensitischen Proben versagen fast unmittelbar nach der Rissinitiierung. Die Beschreibung ihrer Lebensdauer wird somit direkt auf die Rissinitiierungsphase zurückgeführt. Das ferritisch-perlitische Gefüge hingegen zeigt im LCF-Bereich sowohl eine ausgeprägte Rissinitiierungs- wie auch Langrisswachstumsphase. Diese komplexe Schädigungsentwicklung wird mittels verschiedener Schädigungsvariablen beschrieben, die im Rahmen einer automatisierten Bildanalyse bestimmt werden. Hierbei werden sowohl plastisch stark aktive Bereiche wie auch reale Risse pauschal als Schädigung definiert. Der Vergleich dieser automatisiert bestimmten Schädigungsvariablen mit ausgewählten Rissen zeigt deren Eignung zur quantitativen Beschreibung der Schädigungsentwicklung. Die Lebensdauer einer gradierten Komponente ergibt sich nicht direkt durch Verknüpfung der Lebensdauern der Einzelphasen, sondern sie hängt ggf. auch von den Übergangsbereichen zwischen den Phasen ab. Mithilfe einiger grundlegender bruchmechanischer Überlegungen wird ein konservatives Kriterium zur Behandlung solcher Übergangsbereiche bereitgestellt, womit das LOCC-Konzept letztendlich erfolgreich auf die gradierte Flanschwelle übertragen wird.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Thermo-responsive microphase separated supramolecular polyurethanes

The ability to generate very stable assemblies via non-covalent interactions has enabled materials to be constructed that were not feasible via traditional covalent bond formation processes. A series of low molecular mass bisurethane and bisurea polymers have been developed that form stable self-assembled networks through hydrogen bonding interactions. Thermo-responsive polymers were generated by end-capping poly(ethylene-co-butylene) or polybutadiene chains with the bisurethane or bisurea motif. Microphase separation is observed via TEM and small-angle X-ray scattering (SAXS) for the modified pseudo polymers and significant differences in the temperature dependence of microphase separation are analysed via SAXS. The importance of the polarity of the end groups is manifested in distinct temperature-dependent microphase separation behaviour. Information on the local hydrogen bonding structure is provided by wide-angle X-ray scattering and variable temperature FTI

In vitro biological activity of tannins from Acacia and other tree fruits: Correlations with colorimetric and gravimetric phenolic assays

This Study was designed to investigate impact of tannins on in vitro ruminal fermentation parameters as well as relationships between concentration and in vitro biological activity of tannins present in tree fruits. Dry and mature fruits of known phenolic content harvested from Acacia nilotica, A. erubescens, A. erioloba, A. sieberiana, Piliostigima thonningii and Dichrostachys cinerea tree species were fermented with rumen fluid in vitro with or without polyethylene glycol (PEG). Correlation between in vitro biological activity and phenolic concentration was determined. Polyethylene glycol inclusion increased Cumulative gas production from all fruit substrates. The largest Increase (225%) after 48 h incubation was observed in D. cinerea fruits while the least (12.7%) increase was observed in A. erubescens fruits. Organic matter degradability (48 h) was increased by PEG inclusion for all tree species except A. erubescens and P. thonningii. For D. cinerea fruits, colorimetric assays were poorly correlated to Increases In gas production due to PEG treatment. Ytterbium precipitable phenolics (YbPh) were also poorly correlated with response to PEG for A. erioloba and P. thonningii fruits. However, YbPh were strongly and positively correlated to the increase In Cumulative gas production due to PEG for A. erubescens and A. nilotica. Folin-Ciocalteau assayed phenolics (SPh) were not correlated to response to PEG in P. thonningii and A. sieberiana. It was Concluded that the PEG effect oil in vitro fermentation was closely related to some measures of phenolic concentration but the relationships varied with tree species.