Novel materials based on chitosan, its derivatives and cellulose fibres

O presente trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento de novos materiais baseados em quitosano, seus derivados e celulose, na forma de nanofibras ou de papel. Em primeiro lugar procedeu-se à purificação das amostras comerciais de quitosano e à sua caracterização exaustiva em termos morfológicos e físicoquímicos. Devido a valores contraditórios encontrados na literatura relativamente à energia de superfície do quitosano, e tendo em conta a sua utilização como precursor de modificações químicas e a sua aplicação em misturas com outros materiais, realizou-se também um estudo sistemático da determinação da energia de superfície do quitosano, da quitina e seus respectivos homólogos monoméricos, por medição de ângulos de contacto Em todas as amostras comerciais destes polímeros identificaram-se impurezas não polares que estão associadas a erros na determinação da componente polar da energia de superfície. Após a remoção destas impurezas, o valor da energia total de superfície (gs), e em particular da sua componente polar, aumentou consideravelmente. Depois de purificadas e caracterizadas, algumas das amostras de quitosano foram então usadas na preparação de filmes nanocompósitos, nomeadamente dois quitosanos com diferentes graus de polimerização, correspondentes derivados solúveis em água (cloreto de N-(3-(N,N,N-trimetilamónio)-2- hidroxipropilo) de quitosano) e nanofibras de celulose como reforço (celulose nanofibrilada (NFC) e celulose bacteriana (BC). Estes filmes transparentes foram preparados através de um processo simples e com conotação ‘verde’ pela dispersão homogénea de diferentes teores de NFC (até 60%) e BC (até 40%) nas soluções de quitosano (1.5% w/v) seguida da evaporação do solvente. Os filmes obtidos foram depois caracterizados por diversas técnicas, tais como SEM, AFM, difracção de raio-X, TGA, DMA, ensaios de tracção e espectroscopia no visível. Estes filmes são altamente transparentes e apresentam melhores propriedades mecânicas e maior estabilidade térmica do que os correspondentes filmes sem reforço. Outra abordagem deste trabalho envolveu o revestimento de folhas de papel de E. globulus com quitosano e dois derivados, um derivado fluorescente e um derivado solúvel em água, numa máquina de revestimentos (‘máquina de colagem’) à escala piloto. Este estudo envolveu inicialmente a deposição de 1 a 5 camadas do derivado de quitosano fluorescente sobre as folhas de papel de forma a estudar a sua distribuição nas folhas em termos de espalhamento e penetração, através de medições de reflectância e luminescência. Os resultados mostraram que, por um lado, a distribuição do quitosano na superfície era homogénea e que, por outro lado, a sua penetração através dos poros do papel cessou após três deposições. Depois da terceira camada verificou-se a formação de um filme contínuo de quitosano sobre a superfície do papel. Estes resultados mostram que este derivado de quitosano fluorescente pode ser utilizado como marcador na optimização e compreensão de mecanismos de deposição de quitosano em papel e outros substratos. Depois de conhecida a distribuição do quitosano nas folhas de papel, estudou-se o efeito do revestimento de quitosano e do seu derivado solúvel em água nas propriedades finais do papel. As propriedades morfológicas, mecânicas, superficiais, ópticas, assim como a permeabilidade ao ar e ao vapor de água, a aptidão à impressão e o envelhecimento do papel, foram exaustivamente avaliadas. De uma forma geral, os revestimentos com quitosano e com o seu derivado solúvel em água tiveram um impacto positivo nas propriedades finais do papel, que se mostrou ser dependente do número de camadas depositadas. Os resultados também mostraram que os papéis revestidos com o derivado solúvel em água apresentaram melhores propriedades ópticas, aptidão à impressão e melhores resultados em relação ao envelhecimento do que os papéis revestidos com quitosano. Assim, o uso de derivados de quitosano solúveis em água em processos de revestimento de papel representa uma estratégia bastante interessante e sustentável para o desenvolvimento de novos materiais funcionais ou na melhoria das propriedades finais dos papéis. Por fim, tendo como objectivo valorizar os resíduos e fracções menos nobres da quitina e do quitosano provenientes da indústria transformadora, estes polímeros foram convertidos em polióis viscosos através de uma reacção simples de oxipropilação. Este processo tem também conotação "verde" uma vez que não requer solvente, não origina subprodutos e não exige nenhuma operação específica (separação, purificação, etc) para isolar o produto da reacção. As amostras de quitina e quitosano foram pré-activadas com KOH e depois modificadas com um excesso de óxido de propileno (PO) num reactor apropriado. Em todos os casos, o produto da reacção foi um líquido viscoso composto por quitina ou quitosano oxipropilados e homopolímero de PO. Estas duas fracções foram separadas e caracterizadas.

Effects of sulphurization time on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin films solar cells obtained from metallic precursors

We report the results of a study of the sulphurization time effects on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin film solar cells prepared from dc-sputtered tackedmetallic precursors. Three different time intervals, 10 min, 30min and 60 min, at maximum sulphurization temperature were considered. The effects of this parameter' change were studied both on the absorber layer properties and on the final solar cell performance. The composition, structure, morphology and thicknesses of the CZTS layers were analyzed. The electrical characterization of the absorber layer was carried out by measuring the transversal electrical resistance of the samples as a function of temperature. This study shows an increase of the conductivity activation energy from 10 meV to 54meV for increasing sulphurization time from 10min to 60min. The solar cells were built with the following structure: SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni:Al grid. Several ac response equivalent circuit models were tested to fit impedance measurements. The best results were used to extract the device series and shunt resistances and capacitances. Absorber layer's electronic properties were also determined using the Mott–Schottky method. The results show a decrease of the average acceptor doping density and built-in voltage, from 2.0 1017 cm−3 to 6.5 1015 cm−3 and from 0.71 V to 0.51 V, respectively, with increasing sulphurization time. These results also show an increase of the depletion region width from approximately 90 nm–250 nm.

Cu2ZnSnS4 absorber layers obtained through sulphurization of metallic precursors: Graphite box versus sulphur flux

In this work we employed a hybrid method, combining RF-magnetron sputtering with evaporation, for the deposition of tailor made metallic precursors, with varying number of Zn/Sn/Cu (ZTC) periods and compared two approaches to sulphurization. Two series of samples with 1×, 2× and 4× ZTC periods have been prepared. One series of precursors was sulphurized in a tubular furnace directly exposed to a sulphur vapour and N2+5% H2 flux at a pressure of 5.0×10+4 Pa. A second series of identical precursors was sulphurized in the same furnace but inside a graphite box where sulphur pellets have been evaporated again in the presence of N2+5% H2 and at the same pressure as for the sulphur flux experiments. The morphological and chemical analyses revealed a small grain structure but good average composition for all three films sulphurized in the graphite box. As for the three films sulphurized in sulphur flux grain growth was seen with the increase of the number of ZTC periods whilst, in terms of composition, they were slightly Zn poor. The films' crystal structure showed that Cu2ZnSnS4 is the dominant phase. However, in the case of the sulphur flux films SnS2 was also detected. Photoluminescence spectroscopy studies showed an asymmetric broad band emission whichoccurs in the range of 1–1.5 eV. Clearly the radiative recombination efficiency is higher in the series of samples sulphurized in sulphur flux. We have found that sulphurization in sulphur flux leads to better film morphology than when the process is carried out in a graphite box in similar thermodynamic conditions. Solar cells have been prepared and characterized showing a correlation between improved film morphology and cell performance. The best cells achieved an efficiency of 2.4%.

CuxSnSx+1 (x = 2, 3) thin films grown by sulfurization of metallic precursors deposited by dc magnetron sputtering

We report the results of the growth of Cu-Sn-S ternary chalcogenide compounds by sulfurization of dc magnetron sputtered metallic precursors. Tetragonal Cu2SnS3 forms for a maximum sulfurization temperature of 350 ºC. Cubic Cu2SnS3 is obtained at sulfurization temperatures above 400 ºC. These results are supported by XRD analysis and Raman spectroscopy measurements. The latter analysis shows peaks at 336 cm-1, 351 cm-1 for tetragonal Cu2SnS3, and 303 cm-1, 355 cm-1 for cubic Cu2SnS3. Optical analysis shows that this phase change lowers the band gap from 1.35 eV to 0.98 eV. At higher sulfurization temperatures increased loss of Sn is expected in the sulphide form. As a consequence, higher Cu content ternary compounds like Cu3SnS4 grow. In these conditions, XRD and Raman analysis only detected orthorhombic (Pmn21) phase (petrukite). This compound has Raman peaks at 318 cm-1, 348 cm-1 and 295 cm-1. For a sulfurization temperature of 450 ºC the samples present a multi-phase structure mainly composed by cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. For higher temperatures, the samples are single phase and constituted by orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. Transmittance and reflectance measurements were used to estimate a band gap of 1.60 eV. For comparison we also include the results for Cu2ZnSnS4 obtained using similar growth conditions.

Influence of selenization pressure on the growth of Cu2ZnSnSe4 films from stacked metallic layers

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a p-type semiconductor with a high absorption coefficient, 104 to 105 cm-1, and is being seen as a possible replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. Yet, there are some fundamental properties of CZTSe that are not well known, one of them is its band gap. In order to resolve its correct value it is necessary to improve the growth conditions to ensure that single phase crystalline thin films are obtained. One of the problems encountered when growing CZTSe is the loss of Sn through evaporation of SnSe. Stoichiometric films are then difficult to obtain and usually there are other phases present. One possible way to overcome this problem is to increase the pressure of growth of CZTSe. This can be done by introducing an atmosphere of an inert gas like Ar or N2. In this work we report the results of morphological, structural and optical studies of the properties of CZTSe thin films grown by selenization of DC magnetron sputtered metallic layers under different Ar pressures. The films are analysed by SEM/EDS, Raman scattering and XRD.

On the Ewald method and the quartic Helmholtz free energy of an anharmonic metallic crystal

Thesis (M. Sc.) - Brock University, 1978.

Pressure dependence of spin fluctuations in metallic glasses Zrâ â Niâ â ,Zrâ â (Nix/Feâ â â -x)â â and /Zrx/feâ â â -x

The superconducting transition temperature Tc of metallic glasses ZrxFelOO-x (x=80, 75), Zr75(NixFelOO-x)25 (x=75, 50, 25), and CU2SZr75 were measured under quasi-hydrostatic pressure up to 8 OPa (80kbar). The volume (pressure) dependence of the electron-phonon coupling parameters Aep for CU25Zr75 was calculated using the McMillan equatio11. Using this volume dependence of Aep and the modified McMillan equation which incorporates spin-fluctuations, the volume dependence of the spin fluctuation parameter, Asf, was determined in Zr75Ni25, ZrxFelOO-x , a11d Zr75(NixFelOO-x)25. It was found that with increasing pressure, spinfluctuations are suppressed at a faster rate in ZrxFe lOO-x and Zr75(NixFelOO-x)25, as Fe concentration is increased. The rate of suppression of spin-fluctuations with pressure was also found to be higher in Fe-Zr glasses than in Ni-Zr glasses of similar composition.

Sarcolemmal lipid analysis from mechanically skinned rat muscle fibres.

Membrane lipid composition, which includes phospholipid (PL) headgroup, and fatty acid (FA) saturation, has been shown to affect cellular function. The sarcolemma (SL) membrane is integral to skeletal muscle function and health. Previous studies assessing SL lipid composition are limited as they have 1) restricted analysis to a PL level and neglected FA composition and 2) relied on aggressive membrane isolation procedures resulting in t-tubule and sarcoplasmic reticulum contamination and unknown levels of nuclear and mitochondrial contamination. Thus, to overcome these limitations, this study assessed a method of individually skinned skeletal muscle fibres as an alternative to analyze complete sarcolemmal membrane lipid composition. The major findings of this study were 1) complete SL lipid composition can be obtained 2) the SL had higher sphingomyelin content than previous studies and 3) the SL membrane had minimal nuclear and mitochondrial contamination and was void of contamination from sarcoplasmic reticulum and t-tubules.

Électrofilage de fibres à partir de mélanges polystyrène/poly(vinyl méthyl éther)

L’électrofilage est un procédé permettant de préparer des fibres possédant un diamètre de l’ordre du micromètre ou de quelques centaines de nanomètres. Son utilisation est toutefois limitée par le manque de contrôle sur la structure et les propriétés des fibres ainsi produites. Dans ce travail, des fibres électrofilées à partir de mélanges de polystyrène (PS) et de poly(vinyl méthyl éther) (PVME) ont été caractérisées. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a montré que les fibres du mélange PS/PVME sont miscibles (une seule transition vitreuse) lorsque préparées dans le benzène, alors qu'une séparation de phases a lieu lorsque le chloroforme est utilisé. Les fibres immiscibles sont néanmoins malléables, contrairement à un film préparé par évaporation du chloroforme qui a des propriétés mécaniques médiocres. Des clichés en microscopies optique et électronique à balayage (MEB) ont permis d’étudier l'effet de la composition et du solvant sur le diamètre et la morphologie des fibres. Des mesures d’angles de contact ont permis d’évaluer l’hydrophobicité des fibres, qui diminue avec l’ajout de PVME (hydrophile); les valeurs sont de 60° supérieures à celles des films de composition équivalente. Un retrait sélectif du PVME a été réalisé par l’immersion des fibres dans l’eau. La spectroscopie infrarouge a montré que la composition passe de 70 à 95% de PS pour une fibre immiscible mais seulement à 75% pour une fibre miscible. Ces résultats indiquent que la phase riche en PVME se situe presque uniquement à la surface des fibres immiscibles, ce qui a été confirmé par microscopie à force atomique (AFM) et MEB. Finalement, l’effet du mélange des deux solvants, lors de l’électrofilage du mélange PS/PVME, a été étudié. La présence du chloroforme, même en quantité réduite, provoque une séparation de phases similaire à celle observée avec ce solvant pur.

Étude de la substance blanche par diffusion tensiorelle : tractographie des fibres d'association de la région temporo-pariéto-occipitale

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Indirect Bonding Method: in vitro Comparison of the Shear Bond Strength between Metallic Orthodontic Brackets and Different Porcelain Surface Preparations

Introduction : La force d’adhésion à l'interface métal-céramique avec les résines auto-polymérisantes destinées au collage indirect des boîtiers orthodontiques n'a pas été évaluée à ce jour et un protocole clinique basé sur la littérature scientifique est inexistant. Objectifs : 1) Comparer la force de cisaillement maximale entre des boîtiers métalliques et des surfaces en porcelaine préparées selon différentes méthodes; 2) Suggérer un protocole clinique efficace et prévisible. Matériel et méthodes : Quatre-vingt-dix disques en leucite (6 groupes; n = 15/groupe) ont été préparés selon 6 combinaisons de traitements de surface : mécaniques (+ / - fraisage pour créer les rugosités) et chimiques (acide fluorhydrique, apprêt, silane). Des bases en résine composite Transbond XT (3M Unitek, Monrovia, California) faites sur mesure ont été collées avec le système de résine adhésive auto-polymérisante Sondhi A + B Rapid Set (3M Unitek, Monrovia, California). Les échantillons ont été préservés (H2O/24hrs), thermocyclés (500 cycles) et testés en cisaillement (Instron, Norwood, Massachusetts). Des mesures d’Index d’adhésif résiduel (IAR) ont été compilées. Des tests ANOVAs ont été réalisés sur les rangs étant donné que les données suivaient une distribution anormale et ont été ajustés selon Tukey. Un Kruskall-Wallis, U-Mann Whitney par comparaison pairée et une analyse de Weibull ont aussi été réalisés. Résultats : Les médianes des groupes varient entre 17.0 MPa (- fraisage + acide fluorhydrique) à 26.7 MPa (- fraisage + acide fluorhydrique + silane). Le fraisage en surface ne semble pas affecter l’adhésion. La combinaison chimique (- fraisage + silane + apprêt) a démontré des forces de cisaillement significativement plus élevées que le traitement avec (- fraisage + acide fluorhydrique), p<0,05, tout en possédant des forces similaires au protocole typiquement suggéré à l’acide fluorhydrique suivi d’une application de silane, l’équivalence de (- fraisage + acide fluorhydrique + silane). Les mesures d’IAR sont significativement plus basses dans le groupe (- fraisage + acide fluorhydrique) en comparaison avec celles des 5 autres groupes, avec p<0,05. Malheureusement, ces 5 groupes ont des taux de fracture élévés de 80 à 100% suite à la décimentation des boîtiers. Conclusion : Toutes les combinaisons de traitement de surface testées offrent une force d’adhésion cliniquement suffisante pour accomplir les mouvements dentaires en orthodontie. Une application de silane suivie d’un apprêt est forte intéressante, car elle est simple à appliquer cliniquement tout en permettant une excellente adhésion. Il faut cependant avertir les patients qu’il y a un risque de fracture des restorations en céramique lorsque vient le moment d’enlever les broches. Si la priorité est de diminuer le risque d’endommager la porcelaine, un mordançage seul à l’acide hydrofluorique sera suffisant.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.