Influence of Granulometry and Organic Treatment of a Brazilian Montmorillonite on the Properties of Poly(styrene-co-n-butyl acrylate)/Layered Silicate Nanocomposites Prepared by Miniemulsion Polymerization

The influence of granulometry and organic treatment of a Brazilian montmorillonite (MMT) clay on the synthesis and properties of poly(styrene-co-n-butyl acrylate)/layered silicate nanocomposites was studied. Hybrid latexes of poly(styrene-co-butyl acrylate)/MMT were synthesized via miniemulsion polymerization using either sodium or organically modified MMT. Five clay granulometries ranging from clay particles smaller than 75 mu m to colloidal size were selected. The size of the clay particles was evaluated by Specific surface area measurements (BET). Cetyl trimethyl ammonium chloride was used as an organic modifier to enhance the clay compatibility with the monomer phase before polymerization and to improve the clav distribution and dispersion within the polymeric matrix after polymerization. The sodium and organically modified natural clays as well as the composites were characterized by X-ray diffraction analysis. The latexes were characterized by dynamic light scattering. The mechanical, thermal, and rheological properties of the composites obtained were characterized by dynamical-mechanical analysis, thermogravimetry, and small amplitude oscillatory, shear tests, respectively. The results showed that smaller the size of the organically modified MMT, the higher the degree of exfoliation of nanoplatelets. Hybrid latexes in presence of Na-MMT resulted in materials with intercalated structures. (C) 2009 Wiley, Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 112: 1949-1958, 2009

Influence of the Type of Quaternary Ammonium Salt Used in the Organic Treatment of Montmorillonite on the Properties of Poly(Styrene-co-Butyl Acrylate)/Layered Silicate Nanocomposites Prepared by In Situ Miniemulsion Polymerization

Hybrid latices of poly(styrene-co-butyl acrylate) were synthesized via in situ miniemulsion polymerization in the presence of 3 and 6 wt % organically modified montmorillonite (OMMT). Three different ammonium salts: cetyl trimethyl ammonium chloride (CTAC), alkyl dimethyl benzyl ammonium chloride (Dodigen), and distearyl dimethyl ammonium chloride (Praepagen), were investigated as organic modifiers. Increased affinity for organic liquids was observed after organic modification of the MMT. Stable hybrid latices were obtained even though miniemulsion stability was disturbed to some extent by the presence of the OMMTs during the synthesis. Highly intercalated and exfoliated polymer-MMT nanocomposites films were produced with good MMT dispersion throughout the polymeric matrix. Materials containing MMT modified with the 16 carbons alkyl chain salt (CTAC) resulted in the largest increments of storage modulus, indicating that single chain quaternary salts provide higher increments on mechanical properties. Films presenting exfoliated structure resulted in the largest increments in the onset temperature of decomposition. For the range of OMMT loading studied, the nanocomposite structure influenced more significantly the thermal stability properties of the hybrid material than did the OMMT loading. The film containing 3 wt % MMT modified with the two 18 carbons alkyl chains salt (Praepagen) provided the highest increment of onset temperature of decomposition. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 119: 3658-3669, 2011

Modeling Vinyl Acetate and n-Butyl Acrylate Emulsion Copolymerization Process

This work presents a mathematical model for the vinyl acetate and n-butyl acrylate emulsion copolymerization process in batch reactors. The model is able to explain the effects of simultaneous changes in emulsifier concentration, initiator concentration, monomer-to-water ratio, and monomer feed composition on monomer conversion, copolymer composition and, to lesser extent, average particle size evolution histories. The main features of the system, such as the increase in the rate of polymerization as temperature, emulsifier, and initiator concentrations increase are correctly represented by the model. The model accounts for the basic features of the process and may be useful for practical applications, despite its simplicity and a reduced number of adjustable parameters.

Temperature-responsive water-soluble copolymers based on 2-hydroxyethyl acrylate and butyl acrylate

Amphiphilic copolymers have been synthesised by free radical copolymerisation of 2-hydroxyethyl acrylate with butyl acrylate, the reactivity ratios of which indicate practically equal reactivity. The copolymers containing less than 30 mol-% of BA were soluble in water and exhibited a LCST in aqueous solutions. It was found that the interaction between these copolymers and poly(acrylic acid) in aqueous solutions resulted in the formation of interpolymer complexes stabilised by hydrogen bonds and hydrophobic interactions. This interaction was significantly affected by solution I pH and led to modification of the temperature-responsive behaviour of the copolymers.

Raft miniemulsion (co)polymerization of methyl methacrylate and n-butyl acrylate

This thesis work is part of a larger synthesis project about alkyd resins from natural sources, copolymerized with methyl acrylate and n-butyl acrylates, which wil be used for coatings purpose. The aim is to control the copolymerization of methyl acrylate and n-butyl acrylate in RAFT miniemulsion. The research was divided into three parts. First the homopolymerization of methyl methacrylate and n-butyl acrylate was studied by varying different parameters such as the amount of surfactant, the amount of initiator, pH, and especially the RAFT agent. Then two macro RAFT agents were synthesized, as suggested by the existing literature. Finally, the two monomers were copolymerized using both the RAFT used for the homopolymerization and those synthesized in the second stage. To verify the obtained control over the polymerization, the synthesized polymers were analyzed by gel permeation chromatography, GPC, thus finding their molecular weight and its polydispersity.

High Solids Content, Soap-Free, Film-Forming Latexes Stabilized by Laponite Clay Platelets

High solids content film-forming poly[styrene-co-(n-butyl acrylate)] [poly(Sty-co-BuA)] latexes armored with Laponite clay platelets have been synthesized by soap-free emulsion copolymerization of styrene and n-butyl acrylate. The polymerizations were performed in batch in the presence of Laponite and a methyl ether acrylateterminated poly(ethylene glycol) macromonomer in order to promote polymer/clay association. The overall polymerization kinetics showed a pronounced effect of clay on nucleation and stabilization of the latex particles. Cryo-transmission electron microscopy observation confirmed the armored morphology and indicated that the majority of Laponite platelets were located at the particle surface. The resulting nanostructured films displayed enhanced mechanical properties.

Solution Polymerization of N-vinylcaprolactam in 1,4-dioxane. Kinetic Dependence on Temperature, Monomer, and Initiator Concentrations

The kinetics of the solution free radical polymerization of N-vinylcaprolactam, in 1,4-dioxane and under various polymerization conditions was studied. Azobisisobutyronitrile and 3-mercaptopropionic acid were used as initiator and as chain transfer agent (CTA), respectively. The influence of monomer and initiator concentrations and polymerization temperature on the rate of polymerizations (R(p)) was investigated. In general, high conversions were obtained. The order with respect to initiator was consistent with the classical kinetic rate equation, while the order with respect to the monomer was greater than unity. The overall activation energy of 53.6 kJ mol(-1) was obtained in the temperature range 60-80 degrees C. The decreasing of the absolute molecular weights when increasing the CIA concentration was confirmed by GPC/SEC/LALS analyses. It was confirmed by UV-visible analyses the effect of molecular weights on the lower critical solution temperature of the polymers. It was also verified that the addition of the CTA influenced the kinetic of the polymerizations. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 118: 229-240, 2010

In-Line Monitoring of Particle Size during Emulsion Polymerization under Different Operational Conditions using NIR Spectroscopy

In the present work, the sensitivity of NIR spectroscopy toward the evolution of particle size was studied during emulsion homopolymerization of styrene (Sty) and emulsion copolymerization of vinyl acetate-butyl acrylate conducted in a semibatch stirred tank and a tubular pulsed sieve plate reactor, respectively. All NIR spectra were collected online with a transflectance probe immersed into the reaction medium. The spectral range used for the NIR monitoring was from 9 500 to 13 000 cm(-1), where the absorbance of the chemical components present is minimal and the changes in the NIR spectrum can be ascribed to the effects of light scattering by the polymer particles. Off-line measurements of the average diameter of the polymer particles by DLS were used as reference values for the development of the multi-variate NIR calibration models based on partial least squares. Results indicated that, in the spectral range studied, it is possible to monitor the evolution of the average size of the polymer particles during emulsion polymerization reactions. The inclusion of an additional spectral range, from 5 701 to 6 447 cm(-1), containing information on absorbances (""chemical information"") in the calibration models was also evaluated.

Development of a Continuous Emulsion Copolymerization Process in a Tubular Reactor

This contribution describes the development of a continuous emulsion copolymerization processs for vinyl acetate and n-butyl acrylate in a tubular reactor. Special features of this reactor include the use of oscillatory (pulsed) flow and internals (sieve plates) to prevent polymer fouling and promote good radial mixing, along with a controlled amount of axial mixing. The copolymer system studied (vinyl acetate and butyl acrylate) is strongly prone to composition drift due to very different reactivity ratios. An axially dispersed plug flow model, based on classical free radical copolymerization kinetics, was developed for this process and used successfully to optimize the lateral feeding profile to reduce compositional drift. An energy balance was included in the model equations to predict the effect of temperature variations on the process. The model predictions were validated with experimental data for monomer conversion, copolymer composition, average particle size, and temperature measured along the reactor length.

Estudio de copolimerización injerto del acrilato de butilo sobre almidón empleando sistema iniciador redox

The mixture of synthetic and natural materials yields a material with improved physical-chemical properties. One way of obtaining this kind of material is through graft copolymerization. Some natural materials have been used in graft copolymerization with synthetic monomers. In this work, graft copolymerization of butyl acrylate (BA) onto starch using a redox initiator system was carried out. The graft yield was evaluated for different reaction conditions. The graft copolymer was characterized by infrared spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy (SEM).

Enhancing performance of paper coatings by tailor-made plastic pigments

The paper industry is constantly looking for new ideas for improving paper products while competition and raw material prices are increasing. Many paper products are pigment coated. Coating layer is the top layer of paper, thus by modifying coating pigment also the paper itself can be altered and value added to the final product. In this thesis, synthesis of new plastic and hybrid pigments and their performance in paper and paperboard coating is reported. Two types of plastic pigments were studied: core-shell latexes and solid beads of maleimide copolymers. Core-shell latexes with partially crosslinked hydrophilic polymer core of poly(n-butyl acrylate-co-methacrylic acid) and a hard hydrophobic polystyrene shell were prepared to improve the optical properties of coated paper. In addition, the effect of different crosslinkers was analyzed and the best overall performance was achieved by the use of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). Furthermore, the possibility to modify core-shell latex was investigated by introducing a new polymerizable optical brightening agent, 1-[(4-vinylphenoxy)methyl]-4-(2-henylethylenyl)benzene which gave promising results. The prepared core-shell latex pigments performed smoothly also in pilot coating and printing trials. The results demonstrated that by optimizing polymer composition, the optical and surface properties of coated paper can be significantly enhanced. The optimal reaction conditions were established for thermal imidization of poly(styrene-co-maleimide) (SMI) and poly(octadecene-co-maleimide) (OMI) from respective maleic anhydride copolymer precursors and ammonia in a solvent free process. The obtained aqueous dispersions of nanoparticle copolymers exhibited glass transition temperatures (Tg) between 140-170ºC and particle sizes from 50-230 nm. Furthermore, the maleimide copolymers were evaluated in paperboard coating as additional pigments. The maleimide copolymer nanoparticles were partly imbedded into the porous coating structure and therefore the full potential of optical property enhancement for paperboard was not achieved by this method. The possibility to modify maleimide copolymers was also studied. Modifications were carried out via N-substitution by replacing part of the ammonia in the imidization reaction with amines, such as triacetonediamine (TAD), aspartic acid (ASP) and fluorinated amines (2,2,2- trifluoroethylamine, TFEA and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobuthylamine, HFBA). The obtained functional nanoparticles varied in size between 50-217 nm and their Tg from 150-180ºC. During the coating process the produced plastic pigments exhibited good runnability. No significant improvements were achieved in light stability with TAD modified copolymers whereas nanoparticles modified with aspartic acid and those containing fluorinated groups showed the desired changes in surface properties of the coated paperboard. Finally, reports on preliminary studies with organic-inorganic hybrids are presented. The hybrids prepared by an in situ polymerization reaction consisted of 30 wt% poly(styrene- co-maleimide) (SMI) and high levels of 70 wt% inorganic components of kaolin and/or alumina trihydrate. Scanning Electron Microscopy (SEM) images and characterization by Fourier Transform Infrared Spcetroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) revealed that the hybrids had conventional composite structure and inorganic components were covered with precipitated SMI nanoparticles attached to the surface via hydrogen bonding. In paper coating, the hybrids had a beneficial effect on increasing gloss levels.

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

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

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