Polymers of 3-hydroxyacids in plants

Polyhydroxyalkanoates (PHA) are polyesters of bacterial origin that have properties of biodegradable plastics and elastomers. Synthesis of PHA in crop plants would allow the large-scale production and use of these biodegradable and renewable polymers as substitutes for petroleum-derived plastics. Synthesis of a diversity of PHAs in plants, such as Arabidopsis thaliana, rapeseed, corn and cotton, has been demonstrated through the genetic engineering of metabolic pathways in the cytoplasm, plastid and peroxisome. PHA can also be used as a novel tool to study various aspects of plant metabolism, such as the regulation of carbon flux to the fatty acid biosynthetic and degradation pathways.

Reliability of the density functional approximation to describe the charge transfer and electrostatic complexes involved in the modeling of organic conducting polymers

Both the intermolecular interaction energies and the geometries for M ̄ thiophene, M ̄ pyrrole, M n+ ̄ thiophene, and M n+ ̄ pyrrole ͑with M = Li, Na, K, Ca, and Mg; and M n+ = Li+ , Na+ , K+ , Ca2+, and Mg2+͒ have been estimated using four commonly used density functional theory ͑DFT͒ methods: B3LYP, B3PW91, PBE, and MPW1PW91. Results have been compared to those provided by HF, MP2, and MP4 conventional ab initio methods. The PBE and MPW1PW91 are the only DFT methods able to provide a reasonable description of the M ̄ complexes. Regarding M n+ ̄ ␲ complexes, the four DFT methods have been proven to be adequate in the prediction of these electrostatically stabilized systems, even though they tend to overestimate the interaction energies.

Modelling the curing process in magneto-sensitive polymers: Rate-dependence and shrinkage

This paper deals with a phenomenologically motivated magneto-viscoelastic coupled finite strain framework for simulating the curing process of polymers under the application of a coupled magneto-mechanical road. Magneto-sensitive polymers are prepared by mixing micron-sized ferromagnetic particles in uncured polymers. Application of a magnetic field during the curing process causes the particles to align and form chain-like structures lending an overall anisotropy to the material. The polymer curing is a viscoelastic complex process where a transformation from fluid. to solid occurs in the course of time. During curing, volume shrinkage also occurs due to the packing of polymer chains by chemical reactions. Such reactions impart a continuous change of magneto-mechanical properties that can be modelled by an appropriate constitutive relation where the temporal evolution of material parameters is considered. To model the shrinkage during curing, a magnetic-induction-dependent approach is proposed which is based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a mechanical and a magnetic-induction-dependent volume shrinkage part. The proposed model obeys the relevant laws of thermodynamics. Numerical examples, based on a generalised Mooney-Rivlin energy function, are presented to demonstrate the model capacity in the case of a magneto-viscoelastically coupled load.

Printed low-voltage organic transistors on plastics and paper

The main advantage of organic electronics over the more widespread inorganic counterparts lies not in the electrical performance, but rather in the solution processability that opens up for low-cost flexible electronics (e.g. displays, sensors and smart tags) fabricated by using printing techniques. Replacing the commonly used laboratory-scale fabrication techniques with mass-printing techniques is, however, truly challenging, especially when low-voltage operation is required. In this thesis it is, nevertheless, demonstrated that low-voltage organic transistors can be fully printed with a similar performance to that of transistors made by laboratory scale techniques. The use of an ion-modulated type of organic field effect transistor (OFET) not only enabled low-voltage operation and printability, but was also found to result in low sensitivity to the surface roughness of the substrate. This allows not only the use of low-cost plastic substrates, but even the use of paper as a substrate. However, while absorption into the porous paper surface is advantageous in a graphical printing process, by reducing the spreading and the coffee-stain effect and by improving the adhesion, it provides great challenges when applying thin electrically active layers. In spite of these difficulties we were able to demonstrate the first low-voltage OFET to be fabricated on paper. We have also shown that low-cost incandescent lamps can be used for sintering printed metal-nanoparticles, and that the process was especially suitable on paper and compatible with a roll-to-roll manufacturing process.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

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.

Comparison of Microwave and Electrical Properties Selected Conducting Polymers

Microwave properties of conductive polymers is crucial because of their wide areas of applications such as coating in reflector antennas, coating in electronic equipments, firequenry selective .surfaces, EMI materials, satellite communication links, microchip antennas, and medical applications. This work involves a comparative study of dielectric properties of selected conducting polymers such as polyaniline. poly(3,4-eth),lenedio.syt2iophene), polvthiophene, polvpvrrole. and pohparaphenylene diazomethine (PPDA) in microwave and DC,fields. The inicrowave properties such as dielectric constant, dielectric loss. absorption coefficient, heating coefficient, skin depth, and conductivity in the microwave frequency (S hand), and DC fields were compared. PEDOT and polccuiiline were found to exhibit excellent properties in DC field and microwave frequencies, which make thein potential materials in many of the alorenientioned applications

Development of Photorefractive Polymers: Evaluation of Photoconducting and Electro-optic Properties

This Thesis discussed molecules suitable for photorefractive effect. Out of the molecules studied, only one system was used to make photorefractive polymers system. Other molecules, especially, the electro-optic polymer, Poly(3-methacrloyl-1-(4'-nitro-4-azo-1'-phenyl)phenylalanine-co- methyl methacrylate) can be subjected to more detailed studies to explore the possibilities of using them for electro-optic applications. Though not included in the thesis, the efficient photoconductor, Poly(6-tert-butyl-3- phenyl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) sensitized with C60, which was described in Chapter 3 showed a low magnitude photovoltaic effect. This hints at the possibility of using this system for organic solar cells also. The thesis presented the initial observation of photorefractive effect in a polybenzoxazine based polymer system. A detailed analysis of the effect of C60, ECZ and DR1 can be carried out to check for the possibility of a high efficiency photorefractive system.

Development of Photorefractive Polymers: Synthesis and Characterization of Polymers with Donor-Pi-Acceptor Groups

Department of Polymer Science and Rubber Technology, Cochin University of Science and Technology

Recyclable Short Fibre Reinforced Plastics PP/Nylon and HDPE/Nylon composites

The study shows that standard plastics like polypropylene and high density polyethylene can be reinforced by adding nylon short fibres. Compared to the conventional glass reinforced thermoplastics this novel class of reinforced thermoplastics has the major advantage of recyclability. Hence such composites represent a new spectrum of recyclable polymer composites. The fibre length and fibre diameter used for reinforcement are critical parameters While there is a critical fibre length below which no effective reinforcement takes place, the reinforcement improves when the fibre diameter decreases due to increased surface area.While the fibres alone give moderate reinforcement, chemical modification of the matrix can further improve the strength and modulus of the composites. Maleic anhydride grafting in presence of styrene was found to be the most efficient chemical modification. While the fibre addition enhances the viscosity of the melt at lower shear rates, the enhancement at higher shear rate is only marginal. This shows that processing of the composite can be done in a similar way to that of the matrix polymer in high shear operations such as injection moulding. Another significant observation is the decrease in melt viscosity of the composite upon grafting. Thus chemical modification of matrix makes processing of the composite easier in addition to improving the mechanical load bearing capacity.For the development of a useful short fibre composite, selection of proper materials, optimum design with regard to the particular product and choosing proper processing parameters are most essential. Since there is a co-influence of many parameters, analytical solutions are difficult. Hence for selecting proper processing parameters 'rnold flow' software was utilized. The orientation of the fibres, mechanical properties, temperature profile, shrinkage, fill time etc. were determined using the software.Another interesting feature of the nylon fibre/PP and nylon fibre/HDPE composites is their thermal behaviour. Both nylon and PP degrade at the same temperature in single steps and hence the thermal degradation behaviour of the composites is also being predictable. It is observed that the thermal behaviour of the matrix or reinforcement does not affect each other. Almost similar behaviour is observed in the case of nylon fibre/HDPE composites. Another equally significant factor is the nucleating effect of nylon fibre when the composite melt cools down. In the presence of the fibre the onset of crystallization occurs at slightly higher temperature.When the matrix is modified by grafting, the onset of crystallization occurs at still higher temperature. Hence it may be calculated that one reason for the improvement in mechanical behaviour of the composite is the difference in crystallization behaviour of the matrix in presence of the fibre.As mentioned earlier, a major advantage of these composites is their recyclability. Two basic approaches may be employed for recycling namely, low temperature recycling and high temperature recycling. In the low temperature recycling, the recycling is done at a temperature above the melting point of the matrix, but below that of the fibres while in the high temperature route. the recycling is done at a temperature above the melting points of both matrix and fibre. The former is particularly interesting in that the recycled material has equal or even better mechanical properties compared to the initial product. This is possible because the orientation of the fibre can improve with successive recycling. Hence such recycled composites can be used for the same applications for which the original composite was developed. In high temperature recycling, the composite is converted into a blend and hence the properties will be inferior to that of the original composite, but will be higher than that of the matrix material alone.

Studies on Heat Diffusion in Selected Conducting Polymers using Probe Beam Deflection and Photoacoustic Techniques

In the present study, radio frequency plasma polymerization technique is used to prepare thin films of polyaniline, polypyrrole, poly N-methyl pyrrole and polythiophene. The thermal characterization of these films is carried out using transverse probe beam deflection method. Electrical conductivity and band gaps are also determined. The effect of iodine doping on electrical conductivity and the rate of heat diffusion is explored.Bulk samples of poyaniline and polypyrrole in powder form are synthesized by chemical route. Open photoacoustic cell configuration is employed for the thermal characterization of these samples. The effect of acid doping on heat diffusion in these bulk samples of polyaniline is also investigated. The variation of electrical conductivity of doped polyaniline and polypyrrole with temperature is also studied for drawing conclusion on the nature of conduction in these samples. In order to improve the processability of polyaniline and polypyrrole, these polymers are incorporated into a host matrix of poly vinyl chloride. Measurements of thermal diffusivity and electrical conductivity of these samples are carried out to investigate the variation of these quantities as a function of the content of polyvinyl chloride.

Novel Approaches to Biodegradable Polymers: Synthesis and Biodegradation Studies

Biodegradable polymers have opened an emerging area of great interest because they are the ultimate solution for the disposal problems of synthetic polymers used for short time applications in the environmental and biomedical field. The biodegradable polymers available until recently have a number of limitations in terms of strength and dimensional stability. Most of them have processing problems and are also very expensive. Recent developments in biodegradable polymers show that monomers and polymers obtained from renewable resources are important owing to their inherent biodegradability, biocompatibility and easy availability. The present study is, therefore, mostly concemed with the utilization of renewable resources by effecting chemical modification/copolymerization on existing synthetic polymers/natural polymers for introducing better biodegradability and material properties.The thesis describes multiple approaches in the design of new biodegradable polymers: (1) Chemical modification of an existing nonbiodegradable polymer, polyethylene, by anchoring monosaccharides after functionalization to introduce biodegradability. (2) Copolymerization of an existing biodegradable polymer, polylactide, with suitable monomers and/or polymers to tailor their properties to suit the emerging requirements such as (2a) graft copolymerization of lactide onto chitosan to get controlled solvation and biodegradability and (2b) copolymerization of polylactide with cycloaliphatic amide segments to improve upon the thermal properties and processability.