Uma abordagem à incorporação de lenhinosulfonatos e materiais reciclados em misturas de SBR para produção sustentável de solas

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Otimização Energética na Indústria Química

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Optimisation de la concentration en électrolytes au sein des matrices à base de HASCA pour la libération prolongée

Le sel sodique du carboxyméthylamidon à haute teneur en amylose, HASCA (Amylose 60%-amylopectine 40%), est un polymère hydrophile ionique utilisé pour obtenir des comprimés matriciels à libération prolongée. Il est caractérisé par la formation d'un hydrogel lors de la mise en contact avec le milieu de dissolution. La libération du principe actif (PA) à travers ce polymère est principalement contrôlée par la diffusion fickienne et la relaxation du réseau polymérique. De plus, la solubilité du PA est un facteur qui permet de moduler la libération, cependant, la solubilité d’un médicament dépend de la forme utilisée et du pH. Les bases ou les acides libres présentent une solubilité moins élevée que leurs sels. Nous proposons d’étudier l’effet d’une combinaison entre le sel et la forme acide ou le sel et la forme alcaline dans le même comprimé matriciel d’HASCA. Comme objectif de ce travail, nous étudions l’influence de la nature du polymère sur le profil de libération de PA dans un milieu aqueux en gradient de pH à cause de la nature des matrices à base d’HASCA caractérisées par la présence de groupement carboxyliques, ionisés ou non selon l’acidité du milieu de dissolution. Nous étudions également l’influence de la nature du PA (base libre ou son sel vs acide libre ou son sel) sur le profil de libération, ceci en sélectionnant des PAs modèles représentatifs de chaque catégorie. L’influence de changement de proportions entre la forme libre (acide ou base) et son sel sur le profil de libération est aussi investiguée. Pour ce, des comprimés à base de HASCA avec des proportions différentes de, soit le naproxène acide et le naproxène de sodium (PA acide et son sel), soit la tétracycline et le chlorhydrate de tétracycline (PA alcalin et son sel) ont été utilisés. Ceux-ci sont évalués lors des tests de dissolution dans un milieu simulant le milieu gastro-intestinal, selon les normes de l’USP (spectrophotométrie UV). Nous avons également menés des études de vitesse de dissolution intrinsèque sur les PAs purs, afin de déterminer leur solubilité et vitesse de libération dans les même pH de dissolution étudiés. Nous avons réussit d’obtenir des comprimés matriciels à base de HASCA convenables à être administrés une fois par jour en utilisant une combinaison du naproxène acide et son sel comme PA. Tandis que les résultats ont montré qu’en utilisant la tétracycline et son sel, les temps de libération étaient trop élevés pour permettre la réalisation d’une formulation convenable pour une administration quotidienne unique

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.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Chemical Modification of Blends of Poly (Vinyl Chloride) With Linear Low Density Polyethylene

The effects of modifying blends of poly(vinyl chloride) (PVC) with linear low density polyethylene (LLDPE) by means of acrylic acid, maleic anhydride, phenolic resins and p-phenylene diamine were investigated. Modification by acrylic acid and maleic anhydride in the presence of dicumyl peroxide was found to be the most useful procedure for improving the mechanical behaviour and adhesion properties of the blend. The improvement was found to be due mainly to the grafting of the carboxylic acid to the polymer chains; grafting was found to be more effective in LLDPE/PVC blends than in pure LLDPE.

Electrospinning atactic polystyrene: A neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic-Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3mm - 20mm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Sequence-selective assembly of tweezer-molecules on linear templates enables frameshift-reading of sequence information

Monomer-sequence information in synthetic copolyimides can be recognised by tweezer-type molecules binding to adjacent triplet-sequences on the polymer chains. In the present paper different tweezer-molecules are found to have different sequence-selectivities, as demonstrated in solution by 1H NMR spectroscopy and in the solid state by single crystal X-ray analyses of tweezer-complexes with linear and macrocyclic oligo-imides. This work provides clear-cut confirmation of polyimide chain-folding and adjacent-tweezer-binding. It also reveals a new and entirely unexpected mechanism for sequence-recognition which, by analogy with a related process in biomolecular information processing, may be termed "frameshift-reading". The ability of one particular tweezer-molecule to detect, with exceptionally high sensitivity, long-range sequence-information in chain-folding aromatic copolyimides, is readily explained by this novel process.

Interactions of bovine serum albumin with ethylene oxide/butylene oxide copolymers in aqueous solution

The interactions of bovine serum albumin (BSA) with three ethylene oxide/butylene oxide (E/B) copolymers having different block lengths and varying molecular architectures is examined in this study in aqueous solutions. Dynamic light scattering (DLS) indicates the absence of BSA-polymer binding in micellar systems of copolymers with lengthy hydrophilic blocks. On the contrary, stable protein-polyrner aggregates were observed in the case of E18B10 block copolymer. Results from DLS and SAXS suggest the dissociation of E/B copolymer micelles in the presence of protein and the absorption of polymer chains to BSA surface. At high protein loadings, bound BSA adopts a more compact conformation in solution. The secondary structure of the protein remains essentially unaffected even at high polymer concentrations. Raman spectroscopy was used to give insight to the configurations of the bound molecules in concentrated solutions. In the vicinity of the critical gel concentration of E18B10 introduction of BSA can dramatically modify the phase diagram, inducing a gel-sol-gel transition. The overall picture of the interaction diagram of the E18B10-BSA reflects the shrinkage of the suspended particles due to destabilization of micelles induced by BSA and the gelator nature of the globular protein. SAXS and rheology were used to further characterize the structure and flow behavior of the polymer-protein hybrid gels and sols.

Electrospinning atactic polystyrene: a neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic- Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3μm – 20μm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Chain extension in electrospun polystyrene fibres: a SANS study

Small angle neutron scattering techniques were used to quantify the size and shape of the chain conformation in electrospun fibres of atactic polystyrene prepared from solutions in methyl ethyl ketone. Aligned arrays of fibres were collected onto a rotating collector with tangential velocity varying between 0 ms-1 and approximately 15 ms-1. The measured radii of gyration of the polystyrene chains were found to be slightly higher than that expected for samples prepared from solutions in the concentrated regime. The ratio of the radius of gyration parallel and perpendicular to the chain axis was found to be approximately 1.05 in contrast to the substantial macroscopic shape transformation intrinsic to electrospinning. When the tangential velocity of the rotating collector was greater than the flight velocity of the fibres (ca. 4 ms-1), a further extension of the polymer chains was observed with a ratio of the radii of gyration increasing to 1.20 at the highest collector speeds. It is proposed that the heterogeneous processes involved, particularly solvent evaporation and the formation of a polymer skin during electrospinning play a significant role in determining the level of molecular anisotropy in the fibres.

Structure variation and evolution in microphase-separated grafted diblock copolymer films

The phase behavior of grafted d-polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) diblock copolymer films is examined, with particular focus on the effect of solvent and annealing time. It was observed that the films undergo a two-step transformation from an initially disordered state, through an ordered metastable state, to the final equilibrium configuration. It was also found that altering the solvent used to wash the films, or complete removal of the solvent prior to thermal annealing using supercritical CO2, could influence the structure of the films in the metastable state, though the final equilibrium state was unaffected. To aid in the understanding to these experimental results, a series of self-consistent field theory calculations were done on a model diblock copolymer brush containing solvent. Of the different models examined, those which contained a solvent selective for the grafted polymer block most accurately matched the observed experimental behavior. We hypothesize that the structure of the films in the metastable state results from solvent enrichment of the film near the film/substrate interface in the case of films washed with solvent or faster relaxation of the nongrafted block for supercritical CO2 treated (solvent free) films. The persistence of the metastable structures was attributed to the slow reorganization of the polymer chains in the absence of solvent.

Selective Wrapping and Supramolecular Structures of Polyfluorene-Carbon Nanotube Hybrids

We report on the photophysical properties of single-walled carbon nanotube (SWNT) suspensions In toluene solutions of poly[9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl](PFO). Steady-state and time-resolved photoluminescence spectroscopy in the near-infrared and visible spectral regions are used to study the interaction of the dispersed SWNTs with the wrapped polymer. Molecular dynamics simulations of the PFO-SWNT hybrids in toluene were carried out to evaluate the energetics of different wrapping geometries. The simulated fluorescence spectra in the visible region were obtained by the quantum chemical ZINDO-CI method, using a sampling of structures obtained from the dynamics trajectories. The tested schemes consider polymer chains aligned along the nanotube axis, where chirality has a minimal effect, or forming helical structures, where a preference for high chiral angles is evidenced. Moreover, toluene affects the polymer structure favoring the helical conformation. Simulations show that the most stable hybrid system is the PFO-wrapped (8,6) nanotube, in agreement with the experimentally observed selectivity.

Molecular Ordering of Layer-by-Layer Polyelectrolyte Films Studied by Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy

The molecular arrangement in organic thin films is crucial for their increasing technological applications. Here, we use vibrational spectroscopy by sum-frequency generation (SFG) to study the ordering of polyelectrolyte layers adsorbed on silica for all steps of layer-by-layer (LbL) self-assembly. In situ measurements during adsorption and rinsing showed that the adsorbed polymer has a disordered conformation and confirmed surface charge overcompensation upon polyelectrolyte adsorption by probing the interfacial electric field. In dry films, the polymer chains acquired a net orientational ordering, which was affected, however, by the adsorption of subsequent layers. Such a detailed characterization may allow the control of LbL film structure and functionality with unprecedented power.