Nanomechanical Mapping, Hierarchical Polymer Dynamics, and Miscibility in the Presence of Chain-End Grafted Nanoparticles

To improve the spatial distribution of nano particles in a polymeric host and to enhance the interfacial interaction with the host, the use of chain-end grafted nanoparticle has gained popularity in the field of polymeric nanocomposites. Besides changing the material properties of the host, these grafted nanoparticles strongly alter the dynamics of the polymer chain at both local and cooperative length scales (relaxations) by manipulating the enthalpic and entropic interactions. It is difficult to map the distribution of these chain-end grafted nanoparticles in the blend by conventional techniques, and herein, we attempted to characterize it by unique technique(s) like peak force quantitative nanomechanical mapping (PFQNM) through AFM (atomic force microscopy) imaging and dielectric relaxation spectroscopy (DRS). Such techniques, besides shedding light on the spatial distribution of the nanoparticles, also give critical information on the changing elasticity at smaller length scales and hierarchical polymer chain dynamics in the vicinity of the nanoparticles. The effect of one-dimensional rodlike multiwall carbon nanotubes (MWNTs), with the characteristic dimension of the order of the radius of gyration of the polymeric chain, on the phase miscibility and chain dynamics in a classical LCST mixture of polystyrene/ poly(vinyl methyl ether) (PS/PVME) was examined in detail using the above techniques. In order to tune the localization of the nanotubes, different molecular weights of PS (13, 31, and 46 kDa), synthesized using RAFT (reversible addition fragmentation chain transfer) polymerization, was grafted onto MWNTs in situ. The thermodynamic miscibility in the blends was assessed by low-amplitude isochronal temperature sweeps, the spatial distribution of MWNTs in the blends was evaluated by PFQNM, and the hierarchical polymer chain dynamics was studied by DRS. It was observed that the miscibility, concentration fluctuation, and cooperative relaxations of the PS/PVME blends are strongly governed by the spatial distribution of MWNTs in the blends. These findings should help guide theories and simulations of hierarchical chain dynamics in LCST mixtures containing rodlike nanoparticles.

Enzymatic degradation of polycaprolactone-gelatin blend

Blends of polycaprolactone (PCL), a synthetic polymer and gelatin, natural polymer offer a optimal combination of strength, water wettability and cytocompatibility for use as a resorbable biomaterial. The enzymatic degradation of PCL, gelatin and PCL-gelatin blended films was studied in the presence of lipase (Novozym 435, immobilized) and lysozyme. Novozym 435 degraded the PCL films whereas lysozyme degraded the gelatin. Though Novozym 435 and lysozyme individually could degrade PCL-gelatin blended films, the combination of these enzymes showed the highest degradation of these blended films. Moreover, the enzymatic degradation was much faster when fresh enzymes were added at regular intervals. The changes in physico-chemical properties of polymer films due to degradation were studied by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry. These results have important implications for designing resorbable biomedical implants.

Nanomechanical Mapping, Hierarchical Polymer Dynamics, and Miscibility in the Presence of Chain-End Grafted Nanoparticles

To improve the spatial distribution of nano particles in a polymeric host and to enhance the interfacial interaction with the host, the use of chain-end grafted nanoparticle has gained popularity in the field of polymeric nanocomposites. Besides changing the material properties of the host, these grafted nanoparticles strongly alter the dynamics of the polymer chain at both local and cooperative length scales (relaxations) by manipulating the enthalpic and entropic interactions. It is difficult to map the distribution of these chain-end grafted nanoparticles in the blend by conventional techniques, and herein, we attempted to characterize it by unique technique(s) like peak force quantitative nanomechanical mapping (PFQNM) through AFM (atomic force microscopy) imaging and dielectric relaxation spectroscopy (DRS). Such techniques, besides shedding light on the spatial distribution of the nanoparticles, also give critical information on the changing elasticity at smaller length scales and hierarchical polymer chain dynamics in the vicinity of the nanoparticles. The effect of one-dimensional rodlike multiwall carbon nanotubes (MWNTs), with the characteristic dimension of the order of the radius of gyration of the polymeric chain, on the phase miscibility and chain dynamics in a classical LCST mixture of polystyrene/ poly(vinyl methyl ether) (PS/PVME) was examined in detail using the above techniques. In order to tune the localization of the nanotubes, different molecular weights of PS (13, 31, and 46 kDa), synthesized using RAFT (reversible addition fragmentation chain transfer) polymerization, was grafted onto MWNTs in situ. The thermodynamic miscibility in the blends was assessed by low-amplitude isochronal temperature sweeps, the spatial distribution of MWNTs in the blends was evaluated by PFQNM, and the hierarchical polymer chain dynamics was studied by DRS. It was observed that the miscibility, concentration fluctuation, and cooperative relaxations of the PS/PVME blends are strongly governed by the spatial distribution of MWNTs in the blends. These findings should help guide theories and simulations of hierarchical chain dynamics in LCST mixtures containing rodlike nanoparticles.

Enzymatic degradation of polycaprolactone-gelatin blend

Blends of polycaprolactone (PCL), a synthetic polymer and gelatin, natural polymer offer a optimal combination of strength, water wettability and cytocompatibility for use as a resorbable biomaterial. The enzymatic degradation of PCL, gelatin and PCL-gelatin blended films was studied in the presence of lipase (Novozym 435, immobilized) and lysozyme. Novozym 435 degraded the PCL films whereas lysozyme degraded the gelatin. Though Novozym 435 and lysozyme individually could degrade PCL-gelatin blended films, the combination of these enzymes showed the highest degradation of these blended films. Moreover, the enzymatic degradation was much faster when fresh enzymes were added at regular intervals. The changes in physico-chemical properties of polymer films due to degradation were studied by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry. These results have important implications for designing resorbable biomedical implants.

Chitosan Immobilized Porous Polyolefin As Sustainable and Efficient Antibacterial Membranes

Polyolefinic membranes have attracted a great deal of interest owing to their ease of processing and chemical inertness. In this study, porous polyolefin membranes were derived by selectively etching PEO from PE/PEO (polyethylene/poly(ethylene oxide)) blends. The hydrophobic polyolefin (low density polyethylene) was treated with UV-ozone followed by dip coating in chitosan acetate solution to obtain a hydrophilic-antibacterial surface. The chitosan immobilized PE membranes were further characterized by Fourier transform infrared spectroscope (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscope (XPS). It was found that surface grafting of chitosan onto PE membranes enhanced the surface roughness and the concentration of nitrogen (or amine) scaled with increasing concentration of chitosan (0.25 to 2% wt/vol), as inferred from Kjeldahl nitrogen analysis. The pure water flux was almost similar for chitosan immobilized PE membranes as compared to membranes without chitosan. The bacterial population, substantially reduced for membranes with higher concentration of chitosan. For instance, 90 and 94% reduction in Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus) colony forming unit respectively was observed with 2% wt/vol of chitosan. This study opens new avenues in designing polyolefinic based antibacterial membranes for water purification.

Unimpeded permeation of water through biocidal graphene oxide sheets anchored on to 3D porous polyolefinic membranes

3D porous membranes were developed by etching one of the phases (here PEO, polyethylene oxide) from melt-mixed PE/PEO binary blends. Herein, we have systematically discussed the development of these membranes using X-ray micro-computed tomography. The 3D tomograms of the extruded strands and hot-pressed samples revealed a clear picture as to how the morphology develops and coarsens over a function of time during post-processing operations like compression molding. The coarsening of PE/PEO blends was traced using X-ray micro-computed tomography and scanning electron microscopy (SEM) of annealed blends at different times. It is now understood from X-ray micro-computed tomography that by the addition of a compatibilizer (here lightly maleated PE), a stable morphology can be visualized in 3D. In order to anchor biocidal graphene oxide sheets onto these 3D porous membranes, the PE membranes were chemically modified with acid/ethylene diamine treatment to anchor the GO sheets which were further confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and surface Raman mapping. The transport properties through the membrane clearly reveal unimpeded permeation of water which suggests that anchoring GO on to the membranes does not clog the pores. Antibacterial studies through the direct contact of bacteria with GO anchored PE membranes resulted in 99% of bacterial inactivation. The possible bacterial inactivation through physical disruption of the bacterial cell wall and/or reactive oxygen species (ROS) is discussed herein. Thus this study opens new avenues in designing polyolefin based antibacterial 3D porous membranes for water purification.

Stiffness behaviour of injection moulded short glass fibre/impact modifier/polypropylene hybrid composites

The stiffness behaviour of injection moulded short glass fibre/impact modifier/polypropylene hybrid composites has been investigated in this work by theoretical predictions and experiments. Predictions from the self-consistent method were found to be in good agreement with test results for the impact modifier/polypropylene blends. By taking into account of the fibre orientation distributions in the skin and core layers, the values of Young's modulus for the skin and core layers were predicted by employing Eshelby's equivalent inclusion method and the average induced strain approach. The prediction of the values of Young's modulus for the whole sample was obtained by applying the simple mixture theory of laminated composites to the predicted results for the skin and core layers. Good correlation between predicted and experimental Young's modulus values were found.

Feeding and waste management strategies in the culture of Clarias gariepinus

Nutrient digestibility and amino acid availability were assessed in sharp-toothed catfish, Clarias gariepinus, fingerlings fed diets containing soyabean flour (SF) - Poultry meat meal (PMM) blends (25:75. 50:50, and 75:25) and 0.5 of 1.0%, Cr sub(2)0 sub(3). There was agreement between the pattern of overall protein digestibility and average amino acid availability despite the variability in individual amino acid availability the best dry matter, lipid and protein digestibility coefficients, and amino acid availability values were obtained with diets containing 0.5% Cr sub(2)0 sub(3). Chromic Oxide inclusion level appeared to affect nutrient availability. Increased marker level resulted into decreased nutrient digestibility coefficients. Similarly, these diets generated lower fecal crude protein than those with 1.0% Cr sub(2)0 sub(3). However, the latter group recorded higher protein retention efficiency. Dry mailer and lipid of diets containing more soyabean flour seemed to be more digestible than those of poultry meat meal. Similar trend was observed for the apparent availability of the amino acids. This investigation has indicated that low level of marker was better in digestibility study. Utilization of more SF than PMM in the diets of this catfish was more beneficial and should be encouraged in the feed industries producing catfish diets towards a better feed and waste management strategies in this aquaculture operation

Determinação da viscosidade de misturas assimétricas em alta pressão usando regras de mistura

O conhecimento de propriedades de transporte de misturas a diferentes pressões e temperaturas é importante em projetos, operação, controle e otimização de processos industriais. Nestes processos, frequentemente, o fluido é uma mistura binária ou multicomponente de hidrocarbonetos, como fluidos de petróleo. Propriedades experimentais de misturas, especialmente, a viscosidade absoluta como função de temperatura e pressão, podem fornecer importantes informações sobre o comportamento do fluido em diferentes composições e são usadas no desenvolvimento de modelos e correlações e na caracterização de misturas complexas. Diversas regras de mistura têm sido propostas na literatura para cálculo de viscosidade de misturas. Estas regras de mistura preveem o comportamento da mistura à pressão atmosférica usando propriedades dos componentes puros. Porém, em diversas aplicações é necessário estimar a viscosidade de misturas a altas pressões. Neste estudo, foram avaliadas regras de mistura comumente usadas como Refutas, Fator de Mistura, Índice de Mistura, Grunberg e Nissan, Kendall-Monroe e Eyring bem como Aditividade Molar, usando dados de viscosidade experimental de misturas em altas pressões. Inicialmente, foram realizadas medidas de viscosidade absoluta para a mistura altamente assimétrica de ciclohexano e n-hexadecano na faixa de temperatura entre (318,15 a 413,15) K e pressões até 62,053 MPa e, para este sistema, um modelo foi proposto para cálculo dos componentes puros para dada temperatura e pressão. Além disso, dados experimentais de viscosidade de trinta misturas cujos componentes diferem em forma, tamanho ou flexibilidade foram selecionados na literatura e modelados empregando-se regras de mistura. As viscosidades das misturas foram estimadas a partir de dados de viscosidade experimental dos componentes puros medidos nas mesmas temperaturas e pressões. A altas pressões, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura apresentaram os melhores resultados para todos os sistemas estudados. Mesmo para moléculas bastante assimétricas, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura podem ser usados.

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 da biodegradabilidade de misturas poliméricas de policarbonato/poli(-caprolactona) em solo simulado

Neste estudo foram avaliadas amostras de misturas poliméricas de Policarbonato (PC) e Poli--caprolactona (PCL) em diferentes concentrações após enterro em solo preparado, por períodos variando de uma a doze semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 - 03. As amostras, após ficarem enterradas, foram retiradas do solo e analisadas por calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectrometria de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Foi observado através de avaliação morfológica que houve degradação nas amostras de PCL puro e na mistura PC/PCL (60/40). Para misturas com menores teores de PCL a degradação não foi significativa no tempo de avaliação sugerido pela norma. Após o tempo de 12 semanas em contato com o solo houve uma redução no teor de cristalinidade das amostras tanto de PCL puro quanto da mistura PC/PCL com 40% de PCL. As variações ocorridas devido à biodegradabilidade não foram suficientes para acarretar perda de resistência térmica nas amostras. Verificou-se que para avaliar a biodegradabilidade de misturas contendo o polímero biodegradável PCL, é necessária uma adaptação da Norma utilizada, aumentando o tempo de enterro das amostras

Ionic Liquids and Cellulose: Dissolution, Chemical Modification and Preparation of New Cellulosic Materials

Due to its abundance and a wide range of beneficial physical and chemical properties, cellulose has become very popular in order to produce materials for various applications. This review summarizes the recent advances in the development of new cellulose materials and technologies using ionic liquids. Dissolution of cellulose in ionic liquids has been used to develop new processing technologies, cellulose functionalization methods and new cellulose materials including blends, composites, fibers and ion gels.

Compostos de enxofre em misturas de diesel e biodiesel

É difundido na literatura especializada que o uso de misturas de biodiesel e diesel de petróleo reduz as emissões dos compostos de enxofre. Esses compostos são responsáveis por inúmeras enfermidades respiratórias, além de provocar danos ao catalisador automotivo, contribuindo desta forma para a emissão de outros poluentes. Neste trabalho fez-se uma identificação dos compostos de enxofre, antes da queima no motor, presentes no diesel e em misturas de biodiesel/diesel de diferentes fontes. A metodologia empregada foi a cromatografia de fase gasosa e inicialmente empregou-se um detector de ionização por chama de hidrogênio para ajuste das condições operacionais, por ser um detector considerado universal e capaz de identificar tanto os majoritários hidrocarbonetos como os compostos de enxofre. Em seguida aplicou-se os parâmetros operacionais obtidos a um cromatógrafo à gás acoplado a um detector seletivo para enxofre, o SCD (sulphur chemiluminescence detector) para a identificação apenas dos compostos de enxofre. Após a obtenção dos dados teóricos em laboratório, foi realizada a análise de compostos mercaptídicos produzidas pelas emissões de um ônibus do Rio de Janeiro abastecido com diesel puro e misturas diesel/biodiesel nas proporções (v/v) 2% (B2), 5% (B5), 10% (B10), and 20% (B20). Os resultados indicaram uma redução dos compostos de enxofre proporcional à adição do biodiesel tanto na teoria quanto na prática

Avaliação da biodegradabilidade de filmes de polihidroxibutirato com borracha natural

A modernidade exige materiais versáteis, resistentes e, durante um longo tempo os plásticos serviram a esse propósito. Entretanto, o acúmulo desses materiais ao serem descartados no meio ambiente tornou-se um problema Os polímeros biodegradáveis surgiram neste cenário como alternativa para evitar o acúmulo de resíduos plásticos no meio ambiente. O polihidroxibutirato (PHB) representa uma classe de polímeros biodegradáveis, mas que apresenta um alto custo e possui ainda propriedades térmicas limitadas. A borracha natural possui excelentes propriedades mecânicas, resistência ao envelhecimento, flexibilidade e apresenta melhor custo benefício se comparada com as borrachas sintéticas. Neste estudo, foram elaboradas misturas poliméricas de polihidroxibutirato (PHB) e látex de borracha natural em diferentes concentrações, por prensagem à quente. Os ensaios de calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), espectrometria na região do infravermelho (FTIR), microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizados para caracterizar e avaliar as propriedades das misturas poliméricas. O PHB e as misturas com borracha natural foram submetidos ao ensaio de biodegradabilidade através do enterro em solo simulado, conforme a norma ASTM G 160-03, variando por um período de 2 a 17 semanas. Ao final de cada período foram determinadas a perda de massa, a morfologia dos corpos de prova e foram realizadas as análises de DSC, TGA e FTIR. As misturas poliméricas apresentaram menor resistência térmica do que o PHB. No ensaio de biodegradabilidade, as misturas foram consideradas biodegradáveis, segundo a norma ASTM G 160-03 e tiveram a porcentagem de cristalinidade reduzida, tendo o teor de borracha natural contribuído para aumentar a taxa de biodegradação. As análises por MEV comprovaram a existência de consórcios de microrganismos, responsáveis pela biodegradação do PHB e das misturas poliméricas

Desenvolvimento e avaliação de nanocompósitos à base de polietileno de alta densidade (hdpe-vERDE)/poli(ácido lático) (pla) e nanocarbonato de cálcio para fabricação de embalagens

Este trabalho traz como proposta a obtenção de nanocompósitos (PLA/HDPE-g-AM/HDPE-Verde/n-CaCO3) com propriedades mecânicas e de fluxo adequadas para aplicação no setor de embalagens. A produção desses nanocompósitos ocorreu por meio de uma mistura de PLA e polietileno proveniente de fonte renovável (HDPE-Verde), viabilizada pela ação do agente compatibilizante polietileno enxertado com anidrido maleico (HDPE-g-AM) e do aditivo carbonato de cálcio nanoparticulado (n-CaCO3), através do estudo das condições ótimas de processamento e composição, realizado por meio do Planejamento Fatorial Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR). A obtenção deste balanço ótimo se deu ao se avaliar a influência dos fatores de estudo velocidade de rotação (100-400rpm), teor da fase dispersa PLA 2003D (0-35%) e teor da nanocarga mineral - n-CaCO3 (1-4%) sobre as propriedades mecânicas, térmicas, morfológicas e de fluxo dos nanocompósitos, através das variáveis de resposta - módulo de Young, resistência ao impacto, grau de cristalinidade (c) e índice de fluidez (MFI).Avaliações preliminares conduziram à escolha do PLA como fase dispersa dos compósitos. As variáveis de resposta do planejamento indicaram que a viscosidade dessas amostras é diretamente proporcional à concentração de n-CaCO3 e a velocidade de processamento, por promoverem, respectivamente, maior resistência ao escoamento e dispersão da carga. As composições apresentaram como característica resistência ao impacto similar ao comportamento do PLA puro e em contrapartida, módulo de Young similar a matriz de HDPE-Verde. A cristalinidade dos polímeros foi melhorada, observando-se uma ação mútua do HDPE-Verde e do PLA para este aumento, havendo ainda colaboração do n-CaCO3 e da velocidade de mistura. A morfologia dos compósitos foi função da velocidade que favoreceu maior dispersão e distribuição da fase dispersa e ainda por maiores teores de n-CaCO3 que ocasionaram a formação de gotas de PLA de menores dimensões, favorecendo uma estrutura mais homogênea. Maiores teores de PLA alteraram a morfologia dos compósitos, ocasionando a formação de grandes domínios dessa fase na forma de gota que atribuíram ao material maior rigidez. A avaliação individual do efeito do n-CaCO3 sobre o PLA e o HDPE-Verde individualmente apontaram que a ação da carga mineral em geral é benéfica para a melhoria das propriedades, com exceção da resistência ao impacto. Além disso, os resultados mostram que a compatibilizante HDPE-g-AM também minimiza a atuação da carga. Em relação à influência do HDPE-g-AM sobre a mistura HDPE-Verde/PLA é possível observar que a compatibilização da mistura tende a ocorrer, porém não de forma eficiente como o esperado