Part I. Kinetics of coarsening of the gamma-prime precipitate in nickel-silicon alloys. Part II. Rate of crystallization of an amorphous Fe-P-C alloy

The coarsening kinetics of Ni₃ Si(γ') precipitate in a binary Ni-Si alloy containing 6.5 wt. % silicon was studied by magnetic techniques and transmission electronmicroscopy. A calibration curve was established to determine the concentration of silicon in the matrix. The variation of the Si content of the Ni-rich matrix as a function of time follows Lifshitz and Wagner theory for diffusion controlled coarsening phenomena. The estimated values of equilibrium solubility of silicon in the matrix represent the true coherent equilibrium solubilities.

The experimental particle-size distributions and average particle size were determined from dark field electron micrographs. The average particle size varies linearly with t^-1/3 as suggested by Lifshitz and Wagner. The experimental distributions of particle sizes differ slightly from the theoretical curve at the early stages of aging, but the agreement is satisfactory at the later stages. The values of diffusion coefficient of silicon, interfacial free energy and activation energy were calculated from the results of coarsening kinetics. The experimental value of effective diffusion coefficient is in satisfactory agreement with the value predicted by the application of irreversible the rmodynamics to the process of volume constrained growth of coherent precipitate during coarsening. The coherent γ' particles in Ni-Sialloy unlike those in Ni-Al and Ni-Ti seem to lose coherency at high temperature. A mechanism for the formation of semi-coherent precipitate is suggested.

Oxidation of Volatile Organic Compounds in Aqueous Solution and at the Air-water Interface of Aqueous Microdroplets

Isoprene (ISO),the most abundant non-methane VOC, is the major contributor to secondary organic aerosols (SOA) formation. The mechanisms involved in such transformation, however, are not fully understood. Current mechanisms, which are based on the oxidation of ISO in the gas-phase, underestimate SOA yields. The heightened awareness that ISO is only partially processed in the gas-phase has turned attention to heterogeneous processes as alternative pathways toward SOA.

During my research project, I investigated the photochemical oxidation of isoprene in bulk water. Below, I will report on the λ > 305 nm photolysis of H₂O₂ in dilute ISO solutions. This process yields C₁₀H₁₅OH species as primary products, whose formation both requires and is inhibited by O₂. Several isomers of C₁₀H₁₅OH were resolved by reverse-phase high-performance liquid chromatography and detected as MH⁺ (m/z = 153) and MH⁺-18 (m/z = 135) signals by electrospray ionization mass spectrometry. This finding is consistent with the addition of ·OH to ISO, followed by HO-ISO· reactions with ISO (in competition with O₂) leading to second generation HO(ISO)₂· radicals that terminate as C₁₀H₁₅OH via β-H abstraction by O₂.

It is not generally realized that chemistry on the surface of water cannot be deduced, extrapolated or translated to those in bulk gas and liquid phases. The water density drops a thousand-fold within a few Angstroms through the gas-liquid interfacial region and therefore hydrophobic VOCs such as ISO will likely remain in these relatively 'dry' interfacial water layers rather than proceed into bulk water. In previous experiments from our laboratory, it was found that gas-phase olefins can be protonated on the surface of pH < 4 water. This phenomenon increases the residence time of gases at the interface, an event that makes them increasingly susceptible to interaction with gaseous atmospheric oxidants such as ozone and hydroxyl radicals.

In order to test this hypothesis, I carried out experiments in which ISO(g) collides with the surface of aqueous microdroplets of various compositions. Herein I report that ISO(g) is oxidized into soluble species via Fenton chemistry on the surface of aqueous Fe(II)Cl₂ solutions simultaneously exposed to H₂O₂(g). Monomer and oligomeric species (ISO)1-8H⁺ were detected via online electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) on the surface of pH ~ 2 water, and were then oxidized into a suite of products whose combined yields exceed ~ 5% of (ISO)1-8H⁺. MS/MS analysis revealed that products mainly consisted of alcohols, ketones, epoxides and acids. Our experiments demonstrated that olefins in ambient air may be oxidized upon impact on the surface of Fe-containing aqueous acidic media, such as those of typical to tropospheric aerosols.

Related experiments involving the reaction of ISO(g) with ·OH radicals from the photolysis of dissolved H₂O₂ were also carried out to test the surface oxidation of ISO(g) by photolyzing H₂O₂(aq) at 266 nm at various pH. The products were analyzed via online electrospray ionization mass spectrometry. Similar to our Fenton experiments, we detected (ISO)1-7H⁺ at pH < 4, and new m/z⁺ = 271 and m/z^- = 76 products at pH > 5.

Effects of self energy of the ions on the double layer structure and properties at the dielectric interface

Although numerous theoretical efforts have been put forth, a systematic, unified and predictive theoretical framework that is able to capture all the essential physics of the interfacial behaviors of ions, such as the Hofmeister series effect, Jones-Ray effect and the salt effect on the bubble coalescence remain an outstanding challenge. The most common approach to treating electrostatic interactions in the presence of salt ions is the Poisson-Boltzmann (PB) theory. However, there are many systems for which the PB theory fails to offer even a qualitative explanation of the behavior, especially for ions distributed in the vicinity of an interface with dielectric contrast between the two media (like the water-vapor/oil interface). A key factor missing in the PB theory is the self energy of the ion.

In this thesis, we develop a self-consistent theory that treats the electrostatic self energy (including both the short-range Born solvation energy and the long-range image charge interactions), the nonelectrostatic contribution of the self energy, the ion-ion correlation and the screening effect systematically in a single framework. By assuming a finite charge spread of the ion instead of using the point-charge model, the self energy obtained by our theory is free of the divergence problems and gives a continuous self energy across the interface. This continuous feature allows ions on the water side and the vapor/oil side of the interface to be treated in a unified framework. The theory involves a minimum set of parameters of the ion, such as the valency, radius, polarizability of the ions, and the dielectric constants of the medium, that are both intrinsic and readily available. The general theory is first applied to study the thermodynamic property of the bulk electrolyte solution, which shows good agreement with the experiment result for predicting the activity coefficient and osmotic coefficient.

Next, we address the effect of local Born solvation energy on the bulk thermodynamics and interfacial properties of electrolyte solution mixtures. We show that difference in the solvation energy between the cations and anions naturally gives rise to local charge separation near the interface, and a finite Galvani potential between two coexisting solutions. The miscibility of the mixture can either increases or decreases depending on the competition between the solvation energy and translation entropy of the ions. The interfacial tension shows a non-monotonic dependence on the salt concentration: it increases linearly with the salt concentration at higher concentrations, and decreases approximately as the square root of the salt concentration for dilute solutions, which is in agreement with the Jones-Ray effect observed in experiment.

Next, we investigate the image effects on the double layer structure and interfacial properties near a single charged plate. We show that the image charge repulsion creates a depletion boundary layer that cannot be captured by a regular perturbation approach. The correct weak-coupling theory must include the self-energy of the ion due to the image charge interaction. The image force qualitatively alters the double layer structure and properties, and gives rise to many non-PB effects, such as nonmonotonic dependence of the surface energy on concentration and charge inversion. The image charge effect is then studied for electrolyte solutions between two plates. For two neutral plates, we show that depletion of the salt ions by the image charge repulsion results in short-range attractive and long-range repulsive forces. If cations and anions are of different valency, the asymmetric depletion leads to the formation of an induced electrical double layer. For two charged plates, the competition between the surface charge and the image charge effect can give rise to like- charge attraction.

Then, we study the inhomogeneous screening effect near the dielectric interface due to the anisotropic and nonuniform ion distribution. We show that the double layer structure and interfacial properties is drastically affected by the inhomogeneous screening if the bulk Debye screening length is comparable or smaller than the Bjerrum length. The width of the depletion layer is characterized by the Bjerrum length, independent of the salt concentration. We predict that the negative adsorption of ions at the interface increases linearly with the salt concentration, which cannot be captured by either the bulk screening approximation or the WKB approximation. For asymmetric salt, the inhomogeneous screening enhances the charge separation in the induced double layer and significantly increases the value of the surface potential.

Finally, to account for the ion specificity, we study the self energy of a single ion across the dielectric interface. The ion is considered to be polarizable: its charge distribution can be self-adjusted to the local dielectric environment to minimize the self energy. Using intrinsic parameters of the ions, such as the valency, radius, and polarizability, we predict the specific ion effect on the interfacial affinity of halogen anions at the water/air interface, and the strong adsorption of hydrophobic ions at the water/oil interface, in agreement with experiments and atomistic simulations.

The theory developed in this work represents the most systematic theoretical technique for weak-coupling electrolytes. We expect the theory to be more useful for studying a wide range of structural and dynamic properties in physicochemical, colloidal, soft-matter and biophysical systems.

First principles based multiparadigm modeling of electronic structures and dynamics

Electronic structures and dynamics are the key to linking the material composition and structure to functionality and performance.

An essential issue in developing semiconductor devices for photovoltaics is to design materials with optimal band gaps and relative positioning of band levels. Approximate DFT methods have been justified to predict band gaps from KS/GKS eigenvalues, but the accuracy is decisively dependent on the choice of XC functionals. We show here for CuInSe₂ and CuGaSe₂, the parent compounds of the promising CIGS solar cells, conventional LDA and GGA obtain gaps of 0.0-0.01 and 0.02-0.24 eV (versus experimental values of 1.04 and 1.67 eV), while the historically first global hybrid functional, B3PW91, is surprisingly the best, with band gaps of 1.07 and 1.58 eV. Furthermore, we show that for 27 related binary and ternary semiconductors, B3PW91 predicts gaps with a MAD of only 0.09 eV, which is substantially better than all modern hybrid functionals, including B3LYP (MAD of 0.19 eV) and screened hybrid functional HSE06 (MAD of 0.18 eV).

The laboratory performance of CIGS solar cells (> 20% efficiency) makes them promising candidate photovoltaic devices. However, there remains little understanding of how defects at the CIGS/CdS interface affect the band offsets and interfacial energies, and hence the performance of manufactured devices. To determine these relationships, we use the B3PW91 hybrid functional of DFT with the AEP method that we validate to provide very accurate descriptions of both band gaps and band offsets. This confirms the weak dependence of band offsets on surface orientation observed experimentally. We predict that the CBO of perfect CuInSe₂/CdS interface is large, 0.79 eV, which would dramatically degrade performance. Moreover we show that band gap widening induced by Ga adjusts only the VBO, and we find that Cd impurities do not significantly affect the CBO. Thus we show that Cu vacancies at the interface play the key role in enabling the tunability of CBO. We predict that Na further improves the CBO through electrostatically elevating the valence levels to decrease the CBO, explaining the observed essential role of Na for high performance. Moreover we find that K leads to a dramatic decrease in the CBO to 0.05 eV, much better than Na. We suggest that the efficiency of CIGS devices might be improved substantially by tuning the ratio of Na to K, with the improved phase stability of Na balancing phase instability from K. All these defects reduce interfacial stability slightly, but not significantly.

A number of exotic structures have been formed through high pressure chemistry, but applications have been hindered by difficulties in recovering the high pressure phase to ambient conditions (i.e., one atmosphere and room temperature). Here we use dispersion-corrected DFT (PBE-ulg flavor) to predict that above 60 GPa the most stable form of N₂O (the laughing gas in its molecular form) is a 1D polymer with an all-nitrogen backbone analogous to cis-polyacetylene in which alternate N are bonded (ionic covalent) to O. The analogous trans-polymer is only 0.03-0.10 eV/molecular unit less stable. Upon relaxation to ambient conditions both polymers relax below 14 GPa to the same stable non-planar trans-polymer, accompanied by possible electronic structure transitions. The predicted phonon spectrum and dissociation kinetics validate the stability of this trans-poly-NNO at ambient conditions, which has potential applications as a new type of conducting polymer with all-nitrogen chains and as a high-energy oxidizer for rocket propulsion. This work illustrates in silico materials discovery particularly in the realm of extreme conditions.

Modeling non-adiabatic electron dynamics has been a long-standing challenge for computational chemistry and materials science, and the eFF method presents a cost-efficient alternative. However, due to the deficiency of FSG representation, eFF is limited to low-Z elements with electrons of predominant s-character. To overcome this, we introduce a formal set of ECP extensions that enable accurate description of p-block elements. The extensions consist of a model representing the core electrons with the nucleus as a single pseudo particle represented by FSG, interacting with valence electrons through ECPs. We demonstrate and validate the ECP extensions for complex bonding structures, geometries, and energetics of systems with p-block character (C, O, Al, Si) and apply them to study materials under extreme mechanical loading conditions.

Despite its success, the eFF framework has some limitations, originated from both the design of Pauli potentials and the FSG representation. To overcome these, we develop a new framework of two-level hierarchy that is a more rigorous and accurate successor to the eFF method. The fundamental level, GHA-QM, is based on a new set of Pauli potentials that renders exact QM level of accuracy for any FSG represented electron systems. To achieve this, we start with using exactly derived energy expressions for the same spin electron pair, and fitting a simple functional form, inspired by DFT, against open singlet electron pair curves (H₂ systems). Symmetric and asymmetric scaling factors are then introduced at this level to recover the QM total energies of multiple electron pair systems from the sum of local interactions. To complement the imperfect FSG representation, the AMPERE extension is implemented, and aims at embedding the interactions associated with both the cusp condition and explicit nodal structures. The whole GHA-QM+AMPERE framework is tested on H element, and the preliminary results are promising.

Nanocompósitos de elastômero termoplástico à base de PP/EPDM/argila organofílica

Neste trabalho foram preparados nanocompósitos de elastômeros termoplásticos à base de PP/EPDM/argila organofílica. Foram utilizados como agentes interfaciais polipropileno e terpolímero de etileno-propileno-dieno ambos modificados com grupos anidrido maleico, PP-MA e EPDM-MA, respectivamente. Dois tipos de argila organofílica, que se diferenciam pela estrutura química do surfactante e conseqüentemente pela estabilidade térmica, foram empregados como carga inorgânica. Os nanocompósitos foram preparados pela técnica de intercalação por fusão em câmara interna de mistura e a incorporação da argila foi feita pela adição de masterbatches previamente preparados. Foram investigadas as propriedades de tração, reométricas e ainda a morfologia (cristalinidade e estrutura obtida) dos nanocompósitos a fim de estabelecer a influência do tipo e quantidade de argila organofílica e agente interfacial. Os resultados mostraram que a adição de agente interfacial melhorou a dispersão da argila organofílica na matriz de PP/EPDM, particularmente o PP-MA. Foram obtidos nanocompósitos com estruturas mistas intercaladas e esfoliadas, que resultaram em maiores valores de módulo de elasticidade e manutenção dos valores de deformação. As propriedades reométricas confirmaram o maior grau de dispersão da argila organofílica em nanocompósitos contendo PP-MA. Teores crescentes de argila reduziram a cristalinidade dos nanocompósitos, os quais quando reprocessados, mantiveram as características inerentes ao TPE de origem. Por fim, a estrutura do surfactante presente

Collective behavior of asperities as a model for friction and adhesion

Understanding friction and adhesion in static and sliding contact of surfaces is important in numerous physical phenomena and technological applications. Most surfaces are rough at the microscale, and thus the real area of contact is only a fraction of the nominal area. The macroscopic frictional and adhesive response is determined by the collective behavior of the population of evolving and interacting microscopic contacts. This collective behavior can be very different from the behavior of individual contacts. It is thus important to understand how the macroscopic response emerges from the microscopic one. In this thesis, we develop a theoretical and computational framework to study the collective behavior. Our philosophy is to assume a simple behavior of a single asperity and study the collective response of an ensemble. Our work bridges the existing well-developed studies of single asperities with phenomenological laws that describe macroscopic rate-and-state behavior of frictional interfaces. We find that many aspects of the macroscopic behavior are robust with respect to the microscopic response. This explains why qualitatively similar frictional features are seen for a diverse range of materials. We first show that the collective response of an ensemble of one-dimensional independent viscoelastic elements interacting through a mean field reproduces many qualitative features of static and sliding friction evolution. The resulting macroscopic behavior is different from the microscopic one: for example, even if each contact is velocity-strengthening, the macroscopic behavior can be velocity-weakening. The framework is then extended to incorporate three-dimensional rough surfaces, long- range elastic interactions between contacts, and time-dependent material behaviors such as viscoelasticity and viscoplasticity. Interestingly, the mean field behavior dominates and the elastic interactions, though important from a quantitative perspective, do not change the qualitative macroscopic response. Finally, we examine the effect of adhesion on the frictional response as well as develop a force threshold model for adhesion and mode I interfacial cracks.

Modificação química da poliacrilonitrila com grupos tetrazol assistida por micro-ondas

Nos últimos anos, a irradiação por micro-ondas tem sido cada vez mais usada na síntese de varias moléculas orgânicas, devido a uma série de vantagens que essa nova tecnologia apresenta. Até o momento, existem poucos estudos sobre polimerizações assistidas por micro-ondas e menos ainda sobre a modificação de polímeros usando essa nova fonte de energia. Polímeros heterocíclicos contendo anéis azóicos, como o tetrazol possuem interesse acadêmico e comercial devido as suas várias aplicações. Nesta Dissertação foi estuda a modificação química da poliacrilonitrila pela incorporação em sua cadeia polimérica de 10% de grupos tetrazol empregando-se a irradiação de micro-ondas e o método convencional (térmico). Foram utilizados um forno de micro-ondas doméstico e um reator de micro-ondas monomodo nas reações assistidas por micro-ondas. As reações em reator foram realizadas em vaso aberto, em solução (DMF) ou em massa, sendo variado o tempo e a temperatura reacional, bem como a potência do equipamento. Os copolímeros produzidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e os teores de grupos tetrazol incorporados na PAN foram determinados por titulometria de neutralização. A poliacrilonitrila foi modificada quimicamente com sucesso tanto no forno doméstico quanto no reator de micro-ondas, como foi verificado pela sua análise de FTIR. Pela determinação do grau de incorporação de grupos tetrazol nos polímeros concluiu-se que, para a reação em solução, nas temperaturas mais elevas, bem como em uma potência maior, o teor de heterocíclico incorporado no polímero está muito próximo do valor obtido pelo método convencional. Já as reações conduzidas em massa apresentaram graus de incorporação inferiores as das feitas em solução.

Catalisadores à base de platina frente a correntes de H2 contendo acetaldeído geradas via reforma do etanol

Devido ao efeito estufa, a produção de hidrogênio a partir da reação de reforma do bioetanol tem se tornado um assunto de grande interesse em catálise heterogênea. Os catalisadores à base de Pt são empregados nos processos de purificação de H2 e também em eletrocatalisadores das células a combustível do tipo membrana polimérica (PEMFC). O hidrogênio obtido a partir da reforma do etanol contém como contaminante o acetaldeído e pequenas quantidades de CO. Assim, pode-se prever que muitas reações podem ocorrer na presença de catalisadores de Pt durante o processo de purificação do H2 e mesmo no próprio eletrocatalisador. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento do acetaldeído na presença de catalisadores de Pt. Para tanto foram preparados dois catalisadores, Pt/SiO2 e Pt/USY, contendo 1,5% de metal em ambos. Também foi estudado um eletrocatalisador (comercial) de Pt suportado em carvão (Pt/C). Os catalisadores foram caracterizados através das técnicas de análise textural, difração de raios X (DRX), quimissorção de H2, reação de desidrogenação do ciclohexano, espectroscopia no infravermelho de piridina adsorvida, dessorção a temperatura programada de n-butilamina (TPD de n-butilamina), dessorção a temperatura programada de CO2 (TPD-CO2), análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Os testes catalíticos foram realizados entre as temperaturas de 50 e 350 C em corrente contendo acetaldeído, H2 e N2. Foi observado que as propriedades ácido-básicas dos suportes promovem as reações de condensação com formação de éter etílico e acetato de etila. O acetaldeído em catalisadores de Pt sofre quebra das ligações C-C e C=O. A primeira ocorre em uma ampla faixa de temperaturas, enquanto a segunda apenas em temperaturas abaixo de 200 C. A quebra da ligação C-C produz metano e CO. Já a quebra da ligação C=O gera carbono residual nos catalisadores, assim como espécies oxigênio, que por sua vez são capazes de eliminar o CO da superfície dos catalisadores. Nota-se que o tipo de suporte utilizado influencia na distribuição de produtos, principalmente a baixas temperaturas. Além disso, constatou-se que a descarbonilação não é uma reação sensível à estrutura do catalisador. Verificou-se também a presença de resíduos sobre os catalisadores, possivelmente oriundos não somente da quebra da ligação C=O, mas também de reações de polimerização

Avaliação da influência da interação polímero-solvente sobre a porosidade de copolímeros de acrilonitrila e divinilbenzeno obtidos por polimerização em suspensão

Neste trabalho, copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno foram sintetizados, utilizando a técnica de polimerização em suspensão, na presença de três agentes porogênicos diferentes (álcool isoamílico, metil-etil-cetona e tolueno). Esses copolímeros foram caracterizados por meio da determinação da densidade aparente, do volume e diâmetro de poros, por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura e foram avaliados quanto à capacidade de inchamento em heptano e tolueno. O principal intuito dessa pesquisa foi correlacionar a formação da estrutura porosa desses materiais com os principais parâmetros de síntese (grau de diluição dos monômeros, poder solvatante do diluente e teor do agente de reticulação). Desses parâmetros, o que mais influenciou na formação da estrutura porosa desses materiais foi o poder solvatante do diluente. A teoria dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand foi utilizada com o intuito de fazer uma previsão das características porosas dos copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno sintetizados na presença de três diluentes diferentes. Dentre esses diluentes, o álcool isoamílico foi o pior solvente para os copolímeros de AN-DVB, em todos os teores de agente de reticulação e em todas as diluições utilizadas. O tolueno foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm altos teores de agente de reticulação. Estas observações estão de acordo com as previsões dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand. A metil-etil-cetona foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm teores intermediários de agente de reticulação. Esta observação só está condizente com o parâmetro de solubilidade de Hansen.

Avaliação da biodegradabilidade de compósitos à base de poliéster e amido com fibra de coco verde

Os materiais poliméricos tem sido uma das causas dos problemas ambientais discutidos em todo mundo nos últimos tempos. Como uma das soluções para esse problema, estão os polímeros biodegradáveis que são materiais que se degradam pela ação de microorganismos. Uma Indústria sediada no Brasil lançou recentemente um poliéster biodegradável que surge boa alternativa para o crescimento no mercado dos polímeros biodegradáveis, principalmente por possuir em sua composição matéria prima de fonte renovável. Neste trabalho foram preparados compósitos com matriz de poliéster biodegradável e fibra de coco verde com e sem modificação química por acetilação em misturador interno Haake. Foi estudada a biodegradabilidade em solo simulado do polímero puro e de seus compósitos e foram avaliadas as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do polímero puro e de alguns de seus compósitos. O teste de biodegradabilidade foi feito pelo enterro das amostras em solo simulado por períodos distintos, variando de duas a dezessete semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 03. Após cada período de teste, as amostras foram retiradas do solo e analisadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e análise mecânica de tração. Os resultados obtidos indicaram que tanto o polímero puro quanto os seus compósitos sofreram biodegradação, a presença da fibra apenas atrasa o processo de biodegradação, as fibras de coco tiveram uma boa afinidade com a matriz polimérica, a incorporação de 5% fibra de coco na matriz torna o compósito mais rígido e a incorporação da fibra e o processo de biodegradação alteram as características da fase cristalina no material polimérico.

Preparação e avaliação biocida de compósitos à base de resinas reticuladas contendo nanopartículas de prata

Neste trabalho, foram utilizadas três resinas reticuladas comerciais de troca iônica e caráter ácido à base de estireno e divinilbenzeno: AmberliteGT73 da Rohm and Haas Co. com grupo tiol, Lewatit VPOC1800 da Bayer Co. com grupo sulfônico e Amberlyst 15WET da Rohm and Haas Co. também com grupo sulfônico. As citadas resinas comerciais foram escolhidas por apresentarem grande capacidade de troca iônica, estabilidade e grupos funcionais de interesse para a introdução de íons Ag+. As resinas foram tratadas com ácido clorídrico para garantir as formas ácidas de seus grupos funcionais e em seguida a redução dos íons Ag+, provenientes de solução de nitrato de prata, foi realizada in situ pela hidroxilamina em presença de solução protetora de colóide composta por 2-hidróxi-etil-celulose e gelatina 1:1. Alguns parâmetros foram modificados durante a redução dos íons Ag+ a Ag0, como por exemplo, o tempo de adição da solução redutora de hidroxilamina, a solução utilizada para controle do pH, e condições do repouso após o controle do pH. Após a incorporação das nanopartículas de prata, tanto as resinas comerciais quanto o produto final foram caracterizados por titulometria, fluorescência de raios-x, análise termogravimétrica, análise elementar, grau de inchamento, difração de raios-x, microscopias ótica e eletrônica. A avaliação da atividade biocida foi realizada através do método da contagem em placas utilizando-se uma cepa de Escherichia Coli ATCC25922TM em concentrações de 103 a 107 células/mL. Todos os compósitos obtidos mostraram atividade bactericida significante, sendo que foi possível perceber que a ação bactericida dos compósitos está relacionada com a presença de prata na forma metálica e a características como tamanho, formato e dispersão das partículas na matriz polimérica. Para efeito de comparação, foram realizados ensaios bactericidas com os copolímeros de partida e assim foi comprovado que a ação bactericida pôde ser atribuída somente às nanopartículas de prata

Modelagem e otimização de misturas ternárias de polipropileno (PP), borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM) e pó de pneu (SRT).

O aumento nos rejeitos industriais e a contínua produção de resíduos causam muitas preocupações no âmbito ambiental. Neste contexto, o descarte de pneus usados tem se tornado um grande problema por conta da pequena atenção que se dá à sua destinação final. Assim sendo, essa pesquisa propõe a produção de uma mistura polimérica com polipropileno (PP), a borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM) e o pó de pneu (SRT). A Metodologia de Superfície de Resposta (MSR), coleção de técnicas estatísticas e matemáticas úteis para desenvolver, melhorar e optimizar processos, foi aplicada à investigação das misturas ternárias. Após o processamento adequado em extrusora de dupla rosca e a moldagem por injeção, as propriedades mecânicas de resistência à tração e resistência ao impacto foram determinadas e utilizadas como variáveis resposta. Ao mesmo tempo, a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi usada para a investigação da morfologia das diferentes misturas e melhor interpretação dos resultados. Com as ferramentas estatísticas específicas e um número mínimo de experimentos foi possível o desenvolvimento de modelos de superfícies de resposta e a otimização das concentrações dos diferentes componentes da mistura em função do desempenho mecânico e além disso com a modificação da granulometria conseguimos um aumento ainda mais significativo deste desempenho mecânico.

Avaliação de propriedades de artefatos à base de borracha natural

A combinação de excelentes propriedades mecânicas aliadas à biocompatibilidade torna a borracha natural um material amplamente empregado na fabricação de artefatos voltados à saúde, tais como bicos de chupetas e de mamadeiras, e luvas cirúrgicas e de procedimentos não-cirúrgicos. Esses artefatos são processados a partir de látices de poli(cis-isopreno) extraído de seringueiras. Entretanto, o grande número de insaturações presentes na cadeia polimérica, mesmo após a vulcanização, resulta em uma baixa resistência desse material ao envelhecimento, causado principalmente pela associação de fatores como temperatura, oxigênio, ozônio e radiação. Outro inconveniente associado à aplicação da borracha natural é a presença de proteínas no látex, com potencial alergênico, podendo promover reações fisiológicas em alguns usuários. Por esse motivo artefatos comerciais à base de material sintético também são encontrados no mercado. Esses artefatos também não são isentos dos processos naturais de desgaste e decomposição. Esta Dissertação teve como objetivo realizar um estudo comparativo de propriedades dos produtos comerciais à base de borracha natural e à base de material sintético (bicos de chupeta e de mamadeiras e luvas) de diferentes fabricantes, como adquiridos e após sofrerem envelhecimento acelerado. O estudo foi feito empregando-se as técnicas de espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e termogravimetria (TG). Uma avaliação mecânica com métodos padronizados foi também realizada

Síntese, caracterização e avaliação de materiais poliméricos com propriedades bactericidas

Nesta dissertação, foram preparados materiais poliméricos com atividade bactericida a partir de copolímeros de estireno (Sty) e divinilbenzeno (DVB) e de celulose bacteriana. Três copolímeros à base de Sty e DVB foram sintetizados através da técnica de polimerização em suspensão aquosa. Os copolímeros foram preparados com diferentes estruturas porosas, por meio da variação da composição do sistema diluente. Um copolímero comercial macrorreticulado, Amberlite XAD4, de elevada área superficial, também foi usado neste estudo com o objetivo de comparar sua estrutura polimérica e seu desempenho com o dos copolímeros sintetizados. Os copolímeros de Sty-DVB foram caracterizados por meio da densidade aparente, área específica, diâmetro médio de poros, volume de poros, microscopias ótica e eletrônica de varredura, grau de inchamento, espectrometria de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), análise termogravimétrica e análise elementar. Os copolímeros de Sty-DVB foram modificados quimicamente através da reação de nitração, seguida da reação de redução do grupo nitro a amino e posterior reação de diazotação e hidrólise do grupo sal de diazônio. Os copolímeros modificados contendo os grupos NH2 e OH foram utilizados como suporte para a ancoragem das nanopartículas de prata. As partículas de prata foram obtidas pela redução dos íons Ag+ empregando-se cloridrato de hidroxilamina como redutor e PVP como protetor de colóide. O teor de prata impregnada foi determinado pelo método volumétrico. A celulose bacteriana (BC) foi empregada como uma matriz para impregnação de nanopartículas de prata. Membranas de BC foram impregnadas com solução aquosa de AgNO3, a seguir foi realizada a redução dos íons Ag+ com três diferentes agentes redutores (hidrazina, hidroxilamina e ácido ascórbico) empregando ou não protetor de colóide (PVP ou gelatina). As membranas de BC/Ag0 obtidas foram caracterizadas por difração de raios-X, análise termogravimétrica e microscopia eletrônica de varredura. A capacidade bactericida dos copolímeros de Sty-DVB, dos copolímeros funcionalizados e impregnados com prata e das membranas de BC/Ag0 foi avaliada através do método da contagem em placa contra suspensões de Escherichia coli, em diferentes concentrações (103 a 107 células/mL). Foi observado que os copolímeros de origem e os copolímeros modificados contendo os grupos NO2 e NH2 não apresentaram atividade bactericida contra suspensões de E. coli em nenhuma concentração. Por outro lado, os copolímeros modificados contendo o grupo OH apresentaram alguma atividade bactericida, embora abaixo do esperado devido à baixa incorporação de hidroxilas fenólicas. Os copolímeros modificados impregnados com Ag apresentaram maior ação bactericida do que os copolímeros modificados, o que comprova que a ação bactericida é devida às partículas de prata ancoradas nos copolímeros. Os copolímeros modificados contendo o grupo OH impregnados com Ag mesmo possuindo menores teores de prata apresentaram maior ação bactericida do que os copolímeros modificados contendo o grupo NH2 impregnados com Ag. A maior ação bactericida pode ser atribuída à combinação da atividade bactericida das partículas de prata com a atividade dos grupos hidroxilas fenólicas mesmo que estes grupos estejam pouco incorporados nos copolímeros. Os compósitos de BC/Ag0 exibiram atividade bactericida contra E. coli que foi atribuída à ação das nanoparticulas de prata obtidas quando foi empregada a hidroxilamina como agente redutor e a gelatina como protetor de colóide