Crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of endoglucanase III from Trichoderma harzianum

Endoglucanases are enzymes that hydrolyze cellulose and are important components of the cellulolytic complex. In contrast to other members of the complex, they cleave internal beta-1,4-glycosidic bonds in the cellulose polymer, allowing cellulose to be used as an energy source. Since biomass is an important renewable source of energy, the structural and functional characterization of these enzymes is of interest. In this study, endoglucanase III from Trichoderma harzianum was produced in Pichia pastoris and purified. Crystals belonging to the orthorhombic space group P212121, with unit-cell parameters a = 47.54, b = 55.57, c = 157.3 angstrom, were obtained by the sitting-drop vapour-diffusion method and an X-ray diffraction data set was collected to 2.07 angstrom resolution.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Influence of spatial constraints in non-crystalline regions on the polymer dynamics in semi-crystalline polyethylene: a solid state NMR study

A broad variety of solid state NMR techniques were used to investigate the chain dynamics in several polyethylene (PE) samples, including ultrahigh molecular weight PEs (UHMW-PEs) and low molecular weight PEs (LMW-PEs). Via changing the processing history, i.e. melt/solution crystallization and drawing processes, these samples gain different morphologies, leading to different molecular dynamics. Due to the long chain nature, the molecular dynamics of polyethylene can be distinguished in local fluctuation and long range motion. With the help of NMR these different kinds of molecular dynamics can be monitored separately. In this work the local chain dynamics in non-crystalline regions of polyethylene samples was investigated via measuring 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C chemical shift anisotropy (CSA). By analyzing the motionally averaged 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C CSA, the information about the local anisotropy and geometry of motion was obtained. Taking advantage of the big difference of the 13C T1 relaxation time in crystalline and non-crystalline regions of PEs, the 1D 13C MAS exchange experiment was used to investigate the cooperative chain motion between these regions. The different chain organizations in non-crystalline regions were used to explain the relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. In a simple manner the cooperative chain motion between crystalline and non-crystalline regions of PE results in the experimentally observed diffusive behavior of PE chain. The morphological influences on the diffusion motion have been discussed. The morphological factors include lamellar thickness, chain organization in non-crystalline regions and chain entanglements. Thermodynamics of the diffusion motion in melt and solution crystallized UHMW-PEs is discussed, revealing entropy-controlled features of the chain diffusion in PE. This thermodynamic consideration explains the counterintuitive relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. Using the chain diffusion coefficient, the rates of jump motion in crystals of the melt crystallized PE have been calculated. A concept of "effective" jump motion has been proposed to explain the difference between the values derived from the chain diffusion coefficients and those in literatures. The observations of this thesis give a clear demonstration of the strong relationship between the sample morphology and chain dynamics. The sample morphologies governed by the processing history lead to different spatial constraints for the molecular chains, leading to different features of the local and long range chain dynamics. The knowledge of the morphological influence on the microscopic chain motion has many implications in our understanding of the alpha-relaxation process in PE and the related phenomena such as crystal thickening, drawability of PE, the easy creep of PE fiber, etc.

Chemie an funktionalen Polymer-Opalen

In dieser Arbeit wird die Herstellung und Anwendung von funktionalen Polymer-Opalen beschrieben. Für die Synthese von funktionalen monodipsersen Kolloiden, den Bausteinen der Opale, wird die emulgatorfreie Emulsionspolymerisation (SFEP) verwendet. Je nach einzubauendem funktionalem Molekül werden verschiedene Varianten der SFEP verwendet, wie z. B. Homopolymerisation, Copolymerisation, Polymerisation mit Fremdstoffen und die Herstellung von Kern-Schale-Kolloiden. Die so hergestellten monodispersen Kolloide formen durch Selbstorganisation über horizontale (Aufpipettieren, Rakeln, Sprühen) oder vertikale Kristallisation (Ziehmaschine)hochqualitative künstliche Opale. Die eingebauten Funktionalitäten öffnen den Weg zu einer Vielzahl von Anwendungen. Über die Spaltung von funktionalen Estergruppen kann eine lichtinduzierte Strukturierung durchgeführt werden. Der Einbau von Epoxidgruppen ermöglicht eine makroskopische Vernetzung wodurch die mechanische Stabilität der Struktur erhöht wird. Der Einsatz von Reaktivestern kann zur Oberflächen- funktionalisierung verwendet werden. Durch Replizierung der Struktur zum inversen Opal können weitere funktionale Materialien eingeführt werden, was die Einsatzmöglichkeiten noch erweitert.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Crystallization and morphology of the PLLA phase within random poly (L-lactide-ran-ɛ-caprolactone)

This work has mainly focused on the poly (L-lactide) (PLLA) which is a material for multiple applications with performances comparable to those of petrochemical polymers (PP, PS, PET, etc. ...), readily recyclable and also compostable. However, PLLA has certain shortcomings that limit its applications. It is a brittle, hard polymer with a very low elongation at break, hydrophobic, exhibits low crystallization kinetics and takes a long time to degrade. The properties of PLLA may be modified by copolymerization (random, block, and graft) of L-lactide monomers with other co-monomers. In this thesis it has been studied the crystallization and morphology of random copolymers poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) with different compositions of the two monomers since the physical, mechanical, optical and chemical properties of a material depend on this behavior. Thermal analyses were performed by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TGA) to observe behaviors due to the different compositions of the copolymers. The crystallization kinetics and morphology of poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) was investigated by polarized light optical microscopy (PLOM) and differential scanning calorimetry (DSC). Their thermal behavior was observed with crystallization from melt. It was observed that with increasing amounts of PCL in the copolymer, there is a decrease of the thermal degradation. Studies on the crystallization kinetics have shown that small quantities of PCL in the copolymer increase the overall crystallization kinetics and the crystal growth rate which decreases with higher quantities of PCL.

Synthesis, characterization and crystallization of bionanocomposites based on PLLA, PCL and nanocellulose

In recent years, environmental concerns and the expected shortage in the fossil reserves have increased further development of biomaterials. Among them, poly(lactide) PLA possess some potential properties such as good ability process, excellent tensile strength and stiffness equivalent to some commercial petroleum-based polymers (PP, PS, PET, etc.). This biobased polymer is also biodegradable and biocompatible However, one great disadvantage of commercial PLA is slow crystallization rate, which restricts its use in many fields. Using of nanofillers is viewed as an efficient strategy to overcome this problem. In this thesis, the effect of bionanofillers in neat PLA and in blends of poly (L-lactide)(PLA)/poly(ε-Caprolactone) (PCL) has been investigated. The used nanofillers are: poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) and poly(L-lactide-b-ε-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers and neat cellulose nanowhiskers (CNW). The grafting reaction of poly(L-lactide-co-caprolactone) and poly (L-lactide-b-caprolactone) on the nanocellulose has been performed by the grafting from technique. In this way the polymerization reaction it is directly initiated on the substrate surface. The condition of the reaction were chosen after a temperature and solvent screening. By non-isothermal an isothermal DSC analysis the effect of bionanofillers on PLA and 80/20 PLA/PCL was evaluated. Non-isothermal DSC scans show a nucleating effect of the bionanofillers on PLA. This effect is detectable during PLA crystallization from the glassy state. Cold crystallization temperature is reduced upon the addition of the poly(L-lactide-b-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers that is most performing bionanofiller in acting as a nucleating agent. On the other hand, DSC isothermal analysis on the overall crystallization rate indicate that cellulose nanowhiskers are best nucleating agents during isothermal crystallization from the melt state. In conclusion, nanofillers have different behavior depending on the processing conditions. However, the efficiency of our nanofillers as nucleating agent was clearly demonstrated in both isothermal as in non-isothermal condition.

The Crystallization Kinetics of Polylactic Acid (Pla) Processed Through Solid-State/Melt Extrusion

Polylactic acid (PLA) is a bio-derived, biodegradable polymer with a number of similar mechanical properties to commodity plastics like polyethylene (PE) and polyethylene terephthalate (PETE). There has recently been a great interest in using PLA to replace these typical petroleum-derived polymers because of the developing trend to use more sustainable materials and technologies. However, PLA¿s inherent slow crystallization behavior is not compatible with prototypical polymer processing techniques such as molding and extrusion, and in turn inhibits its widespread use in industrial applications. In order to make PLA into a commercially-viable material, there is a need to process the material in such a way that its tendency to form crystals is enhanced. The industry standard for producing PLA products is via twin screw extrusion (TSE), where polymer pellets are fed into a heated extruder, mixed at a temperature above its melting temperature, and molded into a desired shape. A relatively novel processing technique called solid-state shear pulverization (SSSP) processes the polymer in the solid state so that nucleation sites can develop and fast crystallization can occur. SSSP has also been found to enhance the mechanical properties of a material, but its powder output form is undesirable in industry. A new process called solid-state/melt extrusion (SSME), developed at Bucknell University, combines the TSE and SSSP processes in one instrument. This technique has proven to produce moldable polymer products with increased mechanical strength. This thesis first investigated the effects of the TSE, SSSP, and SSME polymer processing techniques on PLA. The study seeks to determine the process that yields products with the most enhanced thermal and mechanical properties. For characterization, percent crystallinity, crystallization half time, storage modulus, softening temperature, degradation temperature and molecular weight were analyzed for all samples. Through these characterization techniques, it was observed that SSME-processed PLA had enhanced properties relative to TSE- and SSSP-processed PLA. Because of the previous findings, an optimization study for SSME-processed PLA was conducted where throughput and screw design were varied. The optimization study determined PLA processed with a low flow rate and a moderate screw design in an SSME process produced a polymer product with the largest increase in thermal properties and a high retention of polymer structure relative to TSE-, SSSP-, and all other SSME-processed PLA. It was concluded that the SSSP part of processing scissions polymer chains, creating defects within the material, while the TSE part of processing allows these defects to be mixed thoroughly throughout the sample. The study showed that a proper SSME setup allows for both the increase in nucleation sites within the polymer and sufficient mixing, which in turn leads to the development of a large amount of crystals in a short period of time.

Confined crystallization of nanolayered poly(ethylene terephthalate) using X-ray diffraction methods

The development of crystalline lamellae in ultra-thin layers of poly(ethylene terephthalate) PET confined between polycarbonate (PC) layers in an alternating assembly is investigated as a function of layer thickness by means of X-ray diffraction methods. Isothermal crystallization from the glassy state is in-situ followed by means of small-angle X-ray diffraction. It is found that the reduced size of the PET layers influences the lamellar nanostructure and induces a preferential lamellar orientation. Two lamellar populations, flat-on and edge-on, are found to coexist in a wide range of crystallization temperatures (Tc = 117–150 °C) and within layer thicknesses down to 35 nm. Flat-on lamellae appear at a reduced crystallization rate with respect to bulk PET giving rise to crystals of similar dimensions separated by larger amorphous regions. In addition, a narrower distribution of lamellar orientations develops when the layer thickness is reduced or the crystallization temperature is raised. In case of edge-on lamellae, crystallization conditions also influence the development of lamellar orientation; however, the latter is little affected by the reduced size of the layers. Results suggest that flat-on lamellae arise as a consequence of spatial confinement and edge-on lamellae could be generated due to the interactions with the PC interface. En este trabajo se investiga mediante difracción de rayos X a ángulos bajos (SAXS) y a ángulos altos (WAXS), la cristalización de láminas delgadas de Polietilén tereftalato (PET) confinadas entre láminas de Policarbonato (PC), tomando como referencia PET sin confinar. El espesor de las capas de PET varía entre 35nm y 115 nm. Se realizaron medidas de difracción a tres temperaturas de cristalización (117ºC, 132ºC y 150ºC) encontrándose que el reducido espesor de las capas de PET influye en la estructura lamelar que se desarrolla, induciendo una orientación preferente de las láminas. Se integró la intensidad difractada alrededor del máximo en SAXS para obtener una representación de la intensidad en función del ángulo acimutal. Mediante análisis de mínimos cuadrados se separó la curva experimental obtenida en tres contribuciones diferentes: una función Gausiana que describe la distribución de las orientaciones de las lamelas, una función lorenziana asociada a los máximos meridionales (asociados a las interfases PET-PC) y un background constante. Por otra parte la cantidad de material cristalizado se estimó asumiendo que la intensidad del background en el barrido acimutal, una vez restado el background del primer difractograma (sin máximos en SAXS) se asocia con la contribución del material isotrópico que resta en la muestra cristalizada. Se observa la coexistencia de dos poblaciones de lamelas: flat-on y edge-on. A medida que el espesor de las láminas de PET disminuye la población de las lamelas flat-on experimenta los siguientes cambios: 1) la distribución de orientación se estrecha, 2) la fracción de material cristalizado orientado aumenta, 3) la cinética de cristalización se ralentiza y 4) el largo espaciado aumenta es decir las regiones amorfas entre lamelas aumentan su tamaño. Parece demostrarse que es en las primeras etapas del crecimiento lamelar cuando la restricción espacial fuerza a las lamelas a esta orientación tipo flat-on frente a la orientación edge-on.

Bio-based polymer nanocomposites based on nylon 11 and WS2 inorganic nanotubes

Tungsten disulphide nanotubes (INT-WS2) have been successfully dispersed in a bio-based polyamide matrix (nylon 11) by conventional melt processing. The effect of INT-WS2 content on the morphology, thermal stability, crystallization behaviour and dynamic mechanical properties is investigated. The results indicate that these inorganic nanotubes can be efficiently incorporated into the bio-based polymer matrix without the need for modifiers or surfactants. Additionally, it is found that the non-isothermal crystallization behaviour of nylon 11/INT-WS2 depends on both the cooling rate and INT-WS2 concentration. In particular, crystallization kinetics results demonstrate that the nucleating activity of INTs plays a dominant role in accelerating the crystallization of nylon 11. This fact leads to the appearance of the more-disordered phase at higher temperature. More significantly, it was shown that these INT-WS2 nanocomposites can facilitate a good processability and cost efficiency, and will be of interest for many eco-friendly and medical applications.

Beyond the H2/CO2 upper bound: one-step crystallization and separation of nano-sized ZIF-11 by centrifugation and its application in mixed matrix membranes

The synthesis of nano-sized ZIF-11 with an average size of 36 ± 6 nm is reported. This material has been named nano-zeolitic imidazolate framework-11 (nZIF-11). It has the same chemical composition and thermal stability and analogous H2 and CO2 adsorption properties to the conventional microcrystalline ZIF-11 (i.e. 1.9 ± 0.9 μm). nZIF-11 has been obtained following the centrifugation route, typically used for solid separation, as a fast new technique (pioneering for MOFs) for obtaining nanomaterials where the temperature, time and rotation speed can easily be controlled. Compared to the traditional synthesis consisting of stirring + separation, the reaction time was lowered from several hours to a few minutes when using this centrifugation synthesis technique. Employing the same reaction time (2, 5 or 10 min), micro-sized ZIF-11 was obtained using the traditional synthesis while nano-scale ZIF-11 was achieved only by using centrifugation synthesis. The small particle size obtained for nZIF-11 allowed the use of the wet MOF sample as a colloidal suspension stable in chloroform. This helped to prepare mixed matrix membranes (MMMs) by direct addition of the membrane polymer (polyimide Matrimid®) to the colloidal suspension, avoiding particle agglomeration resulting from drying. The MMMs were tested for H2/CO2 separation, improving the pure polymer membrane performance, with permeation values of 95.9 Barrer of H2 and a H2/CO2 separation selectivity of 4.4 at 35 °C. When measured at 200 °C, these values increased to 535 Barrer and 9.1.

Nanostructures, Semicrytalline Morphology, and Nanoscale Confinement Effect on the Crystallization Kinetics in Self-Organized Block Copolymer/Thermoset Blends

This work reports the first instance of self-organized thermoset blends containing diblock copolymers with a crystallizable thermoset-immiscible block. Nanostructured thermoset blends of bisphenol A-type epoxy resin (ER) and a low-molecular-weight (M-n = 1400) amphiphilic polyethylene-block-poly(ethylene oxide) (EEO) symmetric diblock copolymer were prepared using 4,4'-methylenedianiline (MDA) as curing agent and were characterized by transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), small-angle X-ray scattering (SAXS), and differential scanning calorimetry (DSC). All the MDA-cured ER/EEO blends do not show macroscopic phase separation but exhibit microstructures. The ER selectively mixes with the epoxy-miscible PEO block in the EEO diblock copolymer whereas the crystallizable PE blocks that are immiscible with ER form separate microdomains at nanoscales in the blends. The PE crystals with size on nanoscales are formed and restricted within the individual spherical micelles in the nanostructured ER/EEO blends with EEO content up to 30 wt %. The spherical micelles are highly aggregated in the blends containing 40 and 50 wt % EEO. The PE dentritic crystallites exist in the blend containing 50 wt % EEO whereas the blends with even higher EEO content are completely volume-filled with PE spherulites. The semicrystalline microphase-separated lamellae in the symmetric EEO diblock copolymer are swollen in the blend with decreasing EEO content, followed by a structural transition to aggregated spherical micellar phase morphology and, eventually, spherical micellar phase morphology at the lowest EEO contents. Three morphological regimes are identified, corresponding precisely to the three regimes of crystallization kinetics of the PE blocks. The nanoscale confinement effect on the crystallization kinetics in nanostructured thermoset blends is revealed for the first time. This new phenomenon is explained on the basis of homogeneous nucleation controlled crystallization within nanoscale confined environments in the block copolymer/thermoset blends.

Phase behavior, crystallization, and morphology in thermosetting blends of a biodegradable poly(ethylene glycol)-type epoxy resin and poly(ε-caprolactone)

Thermosetting blends of a biodegradable poly(ethylene glycol)-type epoxy resin (PEG-ER) and poly(epsilon-caprolactone) (PCL) were prepared via an in situ curing reaction of poly(ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) and maleic anhydride (MAH) in the presence of PCL. The miscibility, phase behavior, crystallization, and morphology of these blends were investigated. The uncured PCL/PEGDGE blends were miscible, mainly because of the entropic contribution, as the molecular weight of PEGDGE was very low. The crystallization and melting behavior of both PCL and the poly(ethylene glycol) (PEG) segment of PEGDGE were less affected in the uncured PCL/PEGDGE blends because of the very close glass-transition temperatures of PCL and PEGDGE. However, the cured PCL/PEG-ER blends were immiscible and exhibited two separate glass transitions, as revealed by differential scanning calorimetry and dynamic mechanical analysis. There existed two phases in the cured PCL/PEG-ER blends, that is, a PCL-rich phase and a PEG-ER crosslinked phase composed of an MAH-cured PEGDGE network. The crystallization of PCL was slightly enhanced in the cured blends because of the phase-separated nature; meanwhile, the PEG segment was highly restricted in the crosslinked network and was noncrystallizable in the cured blends. The phase structure and morphology of the cured PCL/PEG-ER blends were examined with scanning electron microscopy; a variety of phase morphologies were observed that depended on the blend composition. (C) 2004 Wiley Periodicals, Inc.

Phase behavior, crystallization, and nanostructures in thermoset blends of epoxy resin and amphiphilic star-shaped block copolymers

This article reports thermoset blends of bisphenol A-type epoxy resin (ER) and two amphiphilic four-arm star-shaped diblock copolymers based on hydrophilic poly(ethylene oxide) (PEO) and hydrophobic poly(propylene oxide) (PPO). 4,4'-Methylenedianiline (MDA) was used as a curing agent. The first star-shaped diblock copolymer with 70 wt% ethylene oxide (EO), denoted as (PPO-PEO)(4), consists of four PPO-PEO diblock arms with PPO blocks attached on an ethylenediamine core; the second one with 40 wt% EO, denoted as (PEO-PPO)(4), contains four PEO-PPO diblock arms with PEO blocks attached on an ethylenediamine core. The phase behavior, crystallization, and nanoscale structures were investigated by differential scanning calorimetry, transmission electron microscopy, and small-angle X-ray scattering. It was found that the MDA-cured ER/(PPO-PEO)(4) blends are not macroscopically phase-separated over the entire blend composition range. There exist, however, two microphases in the ER/(PPO-PEO)(4) blends. The PPO blocks form a separated microphase, whereas the ER and the PEO blocks, which are miscible, form another microphase. The ER/(PPO-PEO)(4) blends show composition-dependent nanostructures on the order of 10-30 nm. The 80/20 ER/(PPO-PEO)(4) blend displays spherical PPO micelles uniformly dispersed in a continuous ER-rich matrix. The 60/40 ER/(PPO-PEO)(4) blend displays a combined morphology of worm-like micelles and spherical micelles with characteristic of a bicontinuous microphase structure. Macroscopic phase separation took place in the MDA-cured ER/(PEO-PPO)(4) blends. The MDA-cured ER/(PEO-PPO)(4) blends with (PEO-PPO)(4) content up to 50 wt% exhibit phase-separated structures on the order of 0.5-1 mu m. This can be considered to be due to the different EO content and block sequence of the (PEO-PPO)(4) copolymer. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.