Quantitative FTIR study of PHBV/bisphenol A blends

FTIR spectroscopy was used to verify the presence of intermolecular hydrogen bond (inter-H-bond) between poly-(3-hydroxybutyrate co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) and bisphenol A (BPA). By monitoring the spectral changes during PHBV crystallization and blends dissociation, the absorptivity ratio of C=O bonds in crystalline and amorphous regions in PHBV and that of H-bonded and free C=O in PHBV/BPA blends were experimentally determined as 1.40 and 1.68, respectively. Using curve-fitting program, the C=O absorptions in spectra of blends were ascribed to three types of bonds: amorphous, crystalline and H-bonded C=O. The crystallinity of PHBV and the fraction of H-bonded C=O were calculated. These results indicated that the H-bond clearly suppressed the PHBV crystallization. Furthermore, the fraction of BPA molecules that simultaneously formed two hydrogen bonds (H-bonds) with C=O was estimated. It revealed that there existed a H-bond network in PHBV/BPA blends. This network was compared with the covalent network by estimating the number of atoms between every two adjacent crosslink points in chain. Up to the high density of H-bond discussed in this paper, there was always a certain part in PHBV that crystallized due to the dynamic character of hydrogen bonds; however, the hydrogen bonds significantly reduced the crystallization rate of PHBV.

Incorporation of surface-derivatized gold nanoparticles into electrochemically generated polymer films

Stable colloidal solutions of gold nanoparticles surface-derivatized with a thiol monolayer have been prepared using two-phase (water-nitrobenzene) reduction of AuCl4- by sodium borohydride in the presence of 2-mercapto-3-n-octylthiophene (MOT). This kind of surface-functionalized gold nanoparticles can be easily incorporated into the poly(3-octylthiophene) (POT) films on electrode in the process of electrochemical polymerization leading to POT-gold nanoparticle (POT-Au) composite films. Scanning probe microscopy (SPM) and X-ray photoelectric spectroscopy (XPS) have been employed to characterize the surface-derivatized particles and the resulting films. The method of incorporation of nanoparticles into polymer by surface-derivatization and in situ polymerization can also be employed to prepare many other polymer-nanoparticle compostie materials.

Phase behavior of polymer blends

The present report deals with some results on phase behavior, miscibility and phase separation for several polymer blends casting from solutions. These blends are grouped as the amorphous polymer blends, blends containing a crystalline polymer or two crystalline polymers. The blends of PMMA/PVAc were miscible and underwent phase separation at elevated temperature, exhibited LCST behavior. The benzoylated PPO has both UCST and LCST nature. For the systems composed of crystalline polymer poly(ethylene oxide) and amorphous polyurethane, of two crystalline polymers poly(epsilon-caprolactone) and poly[3,3,-bis-(chloromethyl) oxetane], appear a single T-g, indicating these blends are miscible. The interaction parameter B's were determined to be -14 J cm(-3), -15 J cm(-3) respectively. Phase separation of phenolphthalein poly(ether ether sulfone)/PEO blends were discussed in terms of thermal properties, such as their melting and crystallization behavior.

Studies on the morphology transition of micro-crystal growth in polymer films in high vacuum and strong electrostatic field

The morphology of films of isotactic polypropylene poly (3-dodecylthiophene) and iPP/P3DDT blend formed in electrostatic fields has been investigated by using scanning electron microscope. The experiment results show that the micro-crystal morphology of polymer films was strongly dependent on electrostatic fields. It was found that the effect of the electrostatic field led to the formation of dendrite crystals aligned in the field direction, and some branches of P3DDT ruptured. However, the micro-crystals in these films grew into spherulites without electrostatic field,and have no crystal orientation.

The effect of electrostatic field on the micro-crystal morphology of polymer films

The micro-crystal morphology of the films of isotactic polypropylene (iPP), poly(3-dodecylthiophene) (P3DDT) and iPP/P3DDT blend grown in different electrostatic environments has been investigated by using scanning electron microscope. The experimental results show that the micro-crystal morphology of polymer films was strongly dependent on electrostatic field. It was found that the micro-crystal morphology of the films of iPP, P3DDT and iPP/P3DDT blend grown in the electrostatic field was in the form of dendrite crystals, in which main stems were aligned in the field direction, and some branches of P3DDT were ruptured. However, the micro-crystals of the films of iPP, P3DDT and iPP/P3DDT blend have no crystal orientation in the absence of electrostatic field. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Mixed ion transfer analysis in redox processes of electroactive thin films

Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) technique was used to measure the ion transfer in redox processes in electroactive organic thin films, such as self-assembled monolayer (SAM) (4-pyridyl hydroquinone, abbr. 4PHQ), multilayer based on SAM and conducting polymer film (here poly-(3,4-ethylenedioxythiophene), abbr. PEDOT). A mechanism of mixed ion transfer is developed and presented. Analysis of mixed ion transfer during redox processes successfully elucidates the deviation of oscillation frequency of the quartz crystal from theoretical expectation.

Energy transfer in phase-separated luminescent polymer films

The energy transfer in a blend film of poly 3-(2-(5-chlorobenzotriazolo) ethyl) thiophene (PCSET) and polyvinylcarzole (PVK) was investigated. The UV-VIS and photoluminescence (PL) results suggest that the energy transfer from PVK to PCBET leads to the enhancement of PL emission of PCBET. The AFM and LMF results indicated that the domains of blend polymer film are of micro-meter size. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Nanoscale electronic properties of conjugated polymers and nanocrystals

The objective of this thesis is the exploration and characterisation of the nanoscale electronic properties of conjugated polymers and nanocrystals. In Chapter 2, the first application of conducting-probe atomic force microscopy (CP-AFM)-based displacement-voltage (z-V) spectroscopy to local measurement of electronic properties of conjugated polymer thin films is reported. Charge injection thresholds along with corresponding single particle gap and exciton binding energies are determined for a poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] thin film. By performing measurements across a grid of locations on the film, a series of exciton binding energy distributions are identified. The variation in measured exciton binding energies is in contrast to the smoothness of the film suggesting that the variation may be attributable to differences in the nano-environment of the polymer molecules within the film at each measurement location. In Chapter 3, the CP-AFM-based z-V spectroscopy method is extended for the first time to local, room temperature measurements of the Coulomb blockade voltage thresholds arising from sequential single electron charging of 28 kDa Au nanocrystal arrays. The fluid-like properties of the nanocrystal arrays enable reproducible formation of nanoscale probe-array-substrate junctions, allowing the influence of background charge on the electronic properties of the array to be identified. CP-AFM also allows complementary topography and phase data to be acquired before and after spectroscopy measurements, enabling comparison of local array morphology with local measurements of the Coulomb blockade thresholds. In Chapter 4, melt-assisted template wetting is applied for the first time to massively parallel fabrication of poly-(3-hexylthiophene) nanowires. The structural characteristics of the wires are first presented. Two-terminal electrical measurements of individual nanowires, utilising a CP-AFM tip as the source electrode, are then used to obtain the intrinsic nanowire resistivity and the total nanowire-electrode contact resistance subsequently allowing single nanowire hole mobility and mean nanowire-electrode barrier height values to be estimated. In Chapter 5, solution-assisted template wetting is used for fabrication of fluorene-dithiophene co-polymer nanowires. The structural characteristics of these wires are also presented. Two-terminal electrical measurements of individual nanowires indicate barrier formation at the nanowire-electrode interfaces and measured resistivity values suggest doping of the nanowires, possibly due to air exposure. The first report of single conjugated polymer nanowires as ultra-miniature photodetectors is presented, with single wire devices yielding external quantum efficiencies ~ 0.1 % and responsivities ~ 0.4 mA/W under monochromatic illumination.

Design and synthesis of hierarchical MnO2 nanospheres/carbon nanotubes/conducting polymer ternary composite for high performance electrochemical electrodes.

For efficient use of metal oxides, such as MnO(2) and RuO(2), in pseudocapacitors and other electrochemical applications, the poor conductivity of the metal oxide is a major problem. To tackle the problem, we have designed a ternary nanocomposite film composed of metal oxide (MnO(2)), carbon nanotube (CNT), and conducting polymer (CP). Each component in the MnO(2)/CNT/CP film provides unique and critical function to achieve optimized electrochemical properties. The electrochemical performance of the film is evaluated by cyclic voltammetry, and constant-current charge/discharge cycling techniques. Specific capacitance (SC) of the ternary composite electrode can reach 427 F/g. Even at high mass loading and high concentration of MnO(2) (60%), the film still showed SC value as high as 200 F/g. The electrode also exhibited excellent charge/discharge rate and good cycling stability, retaining over 99% of its initial charge after 1000 cycles. The results demonstrated that MnO(2) is effectively utilized with assistance of other components (fFWNTs and poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) in the electrode. Such ternary composite is very promising for the next generation high performance electrochemical supercapacitors.

Modified electrodes with Keggin-type polyoxotungstates

O objectivo deste trabalho é a produção de novos eléctrodos modificados com polioxotungstatos (POMs) do tipo Keggin, incluindo POMs lacunares e substituídos por metais de transição. A preparação e caracterização dos polioxotungstatos encontram-se descritas no Capítulo 2. No Capítulo 3 descreve-se a produção de eléctrodos de carbono vítreo funcionalizados com sais híbridos de tetra-n-butilamónio de vários silicotungstatos pelo método de evaporação da gota. As propriedades electroquímicas dos polioxotungstatos imobilizados foram comparadas com as das espécies solúveis correspondentes. A morfologia dos depósitos foi avaliada por microscopia óptica e por microscopia electrónica de varrimento. No capítulo 4 descreve-se a preparação de novos eléctrodos compósitos de carbono e poli(hexilmetacrilato) com fosfotungstatos. Os estudos electroquímicos revelaram que as principais características dos POMs são mantidas e que os processos de redução são controlados por difusão, dependendo da difusão dos protões da solução. O Capítulo 5 descreve a construção de filmes em multicamadas ultrafinos contendo POMs e polietilenimina, preparados pelo método de auto-montagem camada-sobre-camada em eléctrodos de carbono vítreo. Os filmes em multicamada foram caracterizados por voltametria cíclica e por microscopia electrónica de varrimento e foi usada a espectroscopia de absorção de UV-Vis em placas de quartzo para monitorar o crescimento de filme. Os resultados voltamétricos revelaram que os processos de redução dos POM são confinados à superfície. Alguns destes eléctrodos modificados revelaram propriedades electrocatalíticas relativamente à redução dos aniões nitrito, bromato e/ou iodato. A espectroscopia de impedância electroquímica também foi usada na caracterização destes filmes e os resultados revelaram que a resistência à transferência de carga aumenta com o aumento do número de bicamadas para ambas as espécies redox, indicando que a espessura do filme tem um efeito importante sobre a cinética de reacções de transferência de carga. No capítulo 6 descreve-se a síntese de filmes híbridos orgânicos/inorgânicos compostos por poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e por silicotungstatos do tipo Keggin através da polimerização electroquímica, em condições aquosas, na superfície de electrodos de carbono vítreo. A voltametria cíclica revelou que as características principais dos POMs são mantidas nos filmes. Verificou-se que estes filmes são muito estáveis, possivelmente devido a fortes interacções electrostáticas entre os POMs aniónicos e o polímero positivamente carregado. A espectroscopia de impedância electroquímica foi também utilizada e os resultados mostraram que a resistência de transferência de carga aumenta com o aumento do pH e para valores de potenciais mais elevados. O capítulo 7 apresenta as conclusões finais e possíveis trabalhos futuros.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Electrospun fibrous mats for skin and abdominal wall repair

Esta tese centra-se no desenvolvimento de materiais biodegradáveis e nãodegradáveis produzidos por eletrofiação com aplicação na área biomédica. O poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV), um poliéster biodegradável, foi selecionado como base dos materiais biodegradáveis, enquanto o poli(tereftalato de etileno) (PET), um polímero sintético, estável e biocompatível, foi selecionado para a produção das matrizes não degradáveis. Adicionou-se quitosana aos sistemas com o objetivo de melhorar o processo de eletrofiação e as propriedades morfológicas, físico-químicas e biológicas dos materiais resultantes. A composição química, bem como as características morfológicas e físicoquímicas dos materiais em estudo, foram manipuladas de modo a otimizar a sua performance como suportes celulares para engenharia de tecidos. Foram realizados estudos in vitro com cultura de fibroblastos L929 para avaliar o comportamento das células, i.e. viabilidade, adesão, proliferação e morte, quando cultivadas nas matrizes produzidas por eletrofiação. Adicionalmente foram realizados ensaios in vivo para investigar o potencial dos materiais em estudo na regeneração cutânea e como tela abdominal. Os principais resultados encontrados incluem: o desenvolvimento de novas matrizes híbridas (PHBV/quitosana) adequadas ao crescimento de fibroblastos e ao tratamento de lesões de pele; o desenvolvimento de um sistema de eletrofiação com duas seringas para a incorporação de compostos bioativos; diversas estratégias para manipulação das características morfológicas dos materiais de PHBV/quitosana e PET/quitosana produzidos por eletrofiação; uma melhoria do conhecimento das interações fibroblastos-suporte polimérico; a verificação de uma resposta inflamatória desencadeada pelos materiais nãodegradáveis quando utilizados no tratamento de defeitos da parede abdominal, o que sugere a necessidade de novos estudos para avaliar a segurança do uso de biomateriais produzidos por eletrofiação.

Enzymatic grafting: A novel approach to develop multifunctional materials of interest

Today more than 99% of plastics are petroleum-based because of the availability and cost of the raw material. The durability of disposed plastics contributes to the environmental problems as waste and their persistence in the environment causes deleterious effects on the ecosystem. Environmental pollution awareness and the demand for green technology have drawn considerable attention of both academia and industry into biodegradable polymers. In this regard green chemistry technology has the potential to provide solution to this issue. Enzymatic grafting has recently been the focus of green chemistry technologies due to the growing environmental concerns, legal restrictions, and increasing availability of scientific knowledge. Over the last several years, research covering various applications of robust enzymes like laccases and lipases has been increased rapidly, particularly in the field of polymer science, to graft multi-functional materials of interest. In principle, enzyme-assisted grafting may modify/impart a variety of functionalities to the grafted composites which individual materials fail to demonstrate on their own. The modified polymers through grafting have a bright future and their development is practically boundless. In the present study series of graft composites with poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB) as side chain and cellulose as a backbone polymer were successfully synthesised by introducing enzymatic grafting technique where laccase and lipase were used as model catalysts [1-3]. Subsequently, the resulting composites were removed from the casting surface under ambient environment and characterised by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) in detail. Moreover, the thermo-mechanical behaviours of the grafted composites were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analyser (DMA) measurements, respectively. In addition, hydrophobic and hydrophilic characteristics of the grafted polymers were studied through drop contour analysis using water contact angle (WCA). In comparison to the individual counterparts improvement was observed in the thermo- mechanical properties of the composites to varied extent. The tensile strength, elongation at break, and Young’s modulus values of the composites reached their highest levels in comparison to the films prepared with pure P(3HB) only which was too fragile to measure any of the above said characteristics. Interestingly, untreated P(3HB) was hydrophobic in nature and after lipase treatment P(3HB) and P(3HB)-EC-based graft composite attained higher level of hydrophilicity. This is a desired characteristic that enhances the biocompatibility of the materials for proper cell adhesion and proliferation therefore suggesting potential candidates for tissue engineering/bio-medical type applications [3]. The present research will be a first step in the biopolymer modification. To date no report has been found in literature explaining the laccase/lipase assisted grafting of P(3HB) [1-3]. The newly grafted composites exhibit unique functionalities with wider range of potential applications in bio-plastics, pharmaceutical, and cosmetics industries, tissue engineering, and biosensors. [1] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Cellulose 21, 3613-3621 (2014). [2] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Carbohydrate Polymers 113, 131-137 (2014). [3] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Polymer Chemistry In-Press, DOI: 10.1039/C4PY0 0857J (2014).

Laccase from Aspergillus niger: A novel tool to graft multifunctional materials of interests and their characterization

In the present study, we propose a green route to prepare poly(3-hydroxybutyrate) [(P(3HB)] grafted ethyl cellulose (EC) based green composites with novel characteristics through laccase-assisted grafting. P(3HB) was used as a side chain whereas, EC as a backbone material under an ambient processing conditions. A novel laccase obtained from Aspergillus niger through its heterologous expression in Saccharomyces cerevisiae was used as a green catalyst for grafting purposes without the use of additional initiator and/or cross-linking agents. Subsequently, the resulting P(3HB)-g-EC composites were characterized using a range of analytical and imagining techniques. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra showed an increase in the hydrogen-bonding type interactions between the side chains of P(3HB) and backbone material of EC. Evidently, X-ray diffraction (XRD) analysis revealed a decrease in the crystallinity of the P(3HB)-g-EC composites as compared to the pristine individual polymers. A homogeneous P(3HB) distribution was also achieved in case of the graft composite prepared in the presence of 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) as a mediator along with laccase as compared to the composite prepared using pure laccase alone. A substantial improvement in the thermal and mechanical characteristics was observed for grafted composites up to the different extent as compared to the pristine counterparts. The hydrophobic/hydrophilic properties of the grafted composites were better than those of the pristine counterparts.

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica