Dizertační práce se zabývala syntézou a studiem kompozitních materiálů pro potenciální lékařské využití. Teoretická část je zaměřena na biomateriály, zejména na kompozity složené z polyvinylalkoholu a hydroxyapatitu(PVA/HA). Byly připraveny kompozitní membrány složené z polyvinylalkoholu s různým hmotnostním zastoupením hydroxyapatitu - 0%, 10%, 20%, 30%, 40% a 50%. Hydroxyapatit (HA) byl připraven srážecí metodou z hydrogenfosforečnanu amonného a tetrahydrátu dusičnanu vápenatého ve vodném alkalickém prostředí. Vzniklá suspenze se smísila s roztokem polyvinylalkoholu, který byl připraven rozpuštěním ve vodě o teplotě 85° C. Jednotlivé směsi byly odlity do formy a sušeny po dobu 7 dní při teplotě 30 ° C, vzniklé 0,5 mm tenké membrány byly analyzovány ATR-FTIR spektroskopií k identifikaci funkčních skupin v kompozitu, dále byla provedena XRD analýza. Zkouška tahem a TGA měření byly realizovány k určení vlivu HA na mechanické vlastnosti, respektive změnu tepelné odolnosti kompozitů ve srovnání s čistým PVA. Byla provedena zkouška bioaktivity v simulovaném krevním roztoku (SBF) po dobu 2h, 7 a 28 dnů. SEM byla použita k charakterizaci povrchové mikrostruktury biocompositních membrán před a po ponoření do SBF. Na povrchu testovaných membrán vznikla vrstva apatitu, která je charakteristická pro bioaktivní materiály. Bylo zjištěno, že s rostoucím množstvím HA částic docházelo ke vzniku aglomerátů v kompozitu, které vznikly mimo jiné jako důsledek růstu krystalů HA během sušení membrán. Bioaktivita rostla s delším působením SBF na vzorky.

Research of new sustainable and low cost materials, such as cellulose, is of high interest. Modifications of the cellulose can be performed in order to create a “smart” material which responds to external stimuli, such as variations in pH and temperature, by changing its properties. This “smart” behavior is observed in some polymers, however, for certain applications they exhibit poor mechanical properties. These polymers can be bound by physical adsorption to cellulose, both in macro and nano scale, creating an improved “smart” composite material. In this project, thermoresponsive block-copolymers with different lengths of poly (diethylene glycol) methacrylate (PDEGMA) and poly N-(2-dimethylamino ethyl) methacrylate (PDMAEMA) in only one length, PDMAEMA-b-PDEGMA, were synthesized employing atom transfer radical polymerization (ATRP). 1H-NMR, SEC and DLS were used to characterize the block-copolymers. UV-Vis spectroscopy was employed to confirm the thermo-responsive behavior of the charged and uncharged block-copolymers, being lower for the higher molecular weight ones due to the higher polymer-polymer interactions. In a second step, PDMAEMA was charged positively by quaternization of its amine group with ICH3. Polyelectrolyte titration was used to determine the total number of charges in the quaternized block-copolymers. In addition, TEMPO-oxidized nanofibrillated cellulose (NFC) was produced by procedures found in literature. Finally, adsorption of the cationic block-copolymers onto the anionic NFC in tris base at pH 8.3 was performed and purified by consecutive filtrations, creating a novel smart composite material with different PDEGMA lengths in the block-copolymer. FT-IR confirmed that the block-copolymers were successfully adsorbed to the NFC. TGA results showed a higher thermal stability for the composite than for the TEMPO-NFC and quaternized block-copolymers. The block-copolymer modified NFC exhibited thermoresponsive behavior with LCST’s ranging from 30 to 44 °C, from higher to lower molecular weights, respectively.  Adsorption of polyelectrolytes in modified cellulose could be a promising way to create smart improved materials in further research.

Plant cuticles are extracellular membranes covering aerial organs of plants, whose main functions rely on the protection against water loss, mechanical injury from the environment, attack of microorganism, and also regulation of gas exchange. Among the several constituents of plant cuticles, waxes are those that play an important role in their barrier properties. In order to enhance the mechanical properties of wax, NFC was applied in. In the project, mainly two kinds of methods were used to prepare wax-NFC composites. One way was wax and NFC were dissolved in toluene and casted to be a film, another way was to prepare NFC aerogel firstly, and then, impregnated the aerogel into wax liquid. After pressing it the structure was more compact. In order to characterize the properties of samples, SEM, XRD, TGA, DSC, Contact angle testing, tensile test and oxygen permeability methods were applied in.

O polietileno de alta densidade utilizado neste trabalho foi obtido em escala industrial pela polimerização de eteno, gerado a partir do etanol de cana de açúcar. Este polímero é também chamado de biopolietileno (BPEAD), por ser preparado a partir de material oriundo de fonte natural. O BPEAD foi usado como matriz em compósitos reforçados por fibras de curauá em proporções em massa variando de 5 a 20%, 1 cm de comprimento. Óleo de mamona (CO), óleo de canola (CA), óleo de linhaça epoxidado (OLE) e óleo de soja epoxidado (OSE) foram usados na preparação dos compósitos (5, 10, 15 e 20%) visando atuação como agentes compatibilizantes, uma vez que o CO, CA, OLE e OSE têm cadeias hidrocarbônicas com afinidade pelo biopolietileno, e grupos hidroxilas com afinidades pelos grupos polares presentes nas fibras. Os compósitos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) e propriedades mecânicas (impacto e flexão). Os resultados de impacto, flexão e DMA apresentados pelos compósitos mostraram que a incorporação dos óleos nas diferentes composições, principalmente CO, no geral levou a melhores propriedades quando comparados aos compósitos BPEAD/Fibra, indicando uma possível ação dos óleos como compatibilizante na interface fibra/matriz. O compósito BPEAD/15%CO/15%Fibra apresentou uma maior resistência ao impacto (280 J m-1) se comparado ao BPEAD (234 J m-1), indicando o efeito compatibilizante do CO. As propriedades de compósitos (BPEAD/5%CO, CA, OSE ou OLE/10%Fibra) reforçados com curauá (3mm), processados em misturador interno e termoprensados foram comparadas com aqueles processados por extrusão e moldados por injeção. A resistência ao impacto dos compósitos processados via extrusão BPEAD/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) ou OSE/Fibra (222 J m-1) foi maior quando comparada aos compósitos processados via misturador interno BPEAD/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) ou OSE/Fibra (110 J m-1). A análise de DMA também mostrou que o compósito BPEAD/5%CO/10%Fibra preparado por extrusão/injeção apresentou maior módulo de armazenamento (E´) a 30°C de 1660 MPa, enquanto que o compósito processado via misturador interno apresentou E´ de 1219 MPa. Comparando as propriedades mecânicas dos compósitos processados por extrusão/injeção com a dos processados por misturador interno Haake/termoprensagem, conclui-se que extrusão/injeção é um processo mais eficiente para a preparação de compósitos de fibras curtas. O presente estudo também avaliou o potencial de aplicação de nanocristais de celulose (NCC) em filmes baseados em BPEAD. NCCs foram obtidos a partir da hidrólise ácida da fibra de curauá, e foram utilizados (3, 6 e 9 %) na preparação de filmes de BPEAD, visando à obtenção de nanocompósitos. Os nanocompósitos reforçados com nanocristais de curauá foram processados por extrusão, também usando CO (3, 6 e 9%), visando avaliar a ação do mesmo como agente de dispersão de NCC na matriz apolar de BPEAD. A partir dos resultados obtidos para estes filmes, a porcentagem de NCC foi fixada em 3%, e 3% como porcentagem de óleo vegetal, por terem sido estas as condições que levaram ao melhor conjunto de resultados. Além de CO, OSE e OLE também foram usados e, além do processamento extrusão, extrusão/termoprensagem também foi considerado, a fim de comparar as propriedades obtidas nos dois processamentos. Os filmes foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial, termogravimetria, DMA, ensaio de tração, MEV e reologia. A análise de DMA mostrou que a presença de NCC leva a um material mais rígido, e o uso de óleos vegetais na preparação de filmes, levou a uma distribuição mais homogênea dos NCCs na matriz de BPEAD e a uma melhor adesão na interface, evidenciando o efeito compatibilizante dos óleos. As propriedades óticas dos nanocompósitos indicaram que a presença dos óleos levou a filmes menos opacos, para ambos os tipos de processamentos usados. Com relação aos diferentes processamentos usados na preparação dos filmes baseados em BPEAD, óleos e nanocristais, o melhor conjunto de resultados, com destaque para aqueles obtidos no ensaio de tração, foram resultantes do processamento via extrusão/termoprensagem, indicando que este processamento deve favorecer a dispersão de NCCs na matriz de BPEAD. Os resultados desse trabalho apontaram para boas perspectivas para o uso de nanocristais de celulose em filmes baseados em BPEAD (ou PEAD), utilizando óleos vegetais como compatibilizantes e também mostraram que é possível obter melhorias nas propriedades dos nanocompósitos através de processos mais adequados para a escala industrial, como a extrusão. No presente estudo, contribuiu-se para com o desenvolvimento de materiais que, dentre outras propriedades, na sua produção, utilização e substituição, ocorra menor emissão de CO2 para a atmosfera, comparativamente a outros materiais. / The high-density polyethylene used in this work was obtained on an industrial scale by polymerization of ethylene derived from sugar cane ethanol. This polymer is also called biopolyethylene (HDBPE), as it is a material derived from a renewable resource. HDBPE was used as a polymer matrix in composites reinforced by curaua fibers containing 5, 10, 15 and 20 wt%, 1-cm long. Castor oil (CO), canola oil (CA), epoxidized linseed oil (ELO) and epoxidized soybean linseed oil (ESO) were used in the preparation of composites (5, 10, 15 e 20 wt%) aiming to act as a coupling agent, since CO, CA, ESO and ELO have hydrocarbon chains with affinity for polyethylene and hydroxyl groups that can interact with polar groups on the fibers. The composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetryc analysis (TG), dynamic mechanical analysis (DMA) and mechanical properties (flexural and impact strength). The results of impact, flexural strength and DMA presented by composites showed that the incorporation of oils in various compositions, particularly CO, in general has led to improved properties when compared to the composite HDBPE/Fiber, thus indicating a possible action of the oil as a compatibilizer in the fiber/matrix interface. The composite HDBPE/15%CO/15%Fiber had a higher impact strength (280 J m-1) compared to HDBPE (234 J m-1), indicating the compatibilizer effect of CO. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm) and prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and was molded by injection. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm), prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and molded by injection. The impact strength of composites processed via extrusion HDBPE/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) or OSE / fiber (222 J m-1) was higher when compared to composites processed via internal mixer HDBPE/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) or OSE/Fiber (110 J m-1). DMA analysis also showed that the composite HDBPE/5%CO/10%Fiber prepared by extrusion/injection showed higher storage modulus (E\') at 30°C of 1660 MPa, while the composite processed by internal mixer presented an E\' of 1219 MPa. Comparing the mechanical properties of the composites

This thesis aims at presenting the use and development of original catalytic systems based on lipases immobilized on clays which are efficient for the synthesis of biopolyesters and allowing the preparation of organic/inorganic nanohybrids based on clay nanoparticles (sepiolite and montmorillonite) grafted with such polyesters. These nanoclays were used as lipase supports and the clay-immobilized forms of Candida antarctica lipase B (CALB) were tested for ε-caprolactone and lactide isomers polymerization. Polymerization kinetics and characterization of resulting materials have shown that lipases immobilized on montmorillonite show better performances compared to the ones immobilized on sepiolite. Clay surface organo-modification has proved to greatly enhance the catalytic activity of the corresponding systems. CALB immobilized on montmorillonite allowed the elaboration of organic/inorganic nanohybrids as evidenced by the effective grafting of polyester chains from the clay surface. Finally, random PCL/PLA copolyesters were successfully obtained by lipase-catalyzed copolymerization of D-lactide with ε-caprolactone.

Ce travail de thèse s'inscrit dans les thèmes de la photodégradation et de la biodégradation de polymère pouvant être ou non d'origine renouvelable. Il a pour principal objectif d'étudier la durabilité photochimique de différents polymères ou mélanges de polymères utilisés en particulier dans l'agriculture et donc soumis à un vieillissement climatique. La structure chimique des polymères est un des principaux paramètres susceptible d'influencer la photodégradation. Un ensemble de (co)polyesters comportant des unités aliphatiques, cycliques et / ou aromatiques a été sélectionné dans le but d'exprimer une relation structure / photodurabilité. Le photovieillissement des matériaux a été réalisé en conditions naturelles et en conditions accélérées. Des mécanismes de photo-oxydation ont été proposés pour chacun des matériaux à partir de l'évolution des propriétés viscoélastiques traduisant celle de la structure macromoléculaire. Dans ce contexte, l'étude de la durabilité de ces matériaux respectueux de l'environnement doit s'intéresser à des systèmes extrêmement complexes dont chaque constituant est susceptible d'évoluer. Cette caractéristique exige de mettre au point une méthodologie permettant de déterminer la composition d'un biocomposite et d'en suivre les modifications en cours de vieillissement en même temps que l'évolution de la structuration de ces matériaux.

O polietileno de alta densidade utilizado neste trabalho foi obtido em escala industrial pela polimerização de eteno, gerado a partir do etanol de cana de açúcar. Este polímero é também chamado de biopolietileno (BPEAD), por ser preparado a partir de material oriundo de fonte natural. O BPEAD foi usado como matriz em compósitos reforçados por fibras de curauá em proporções em massa variando de 5 a 20%, 1 cm de comprimento. Óleo de mamona (CO), óleo de canola (CA), óleo de linhaça epoxidado (OLE) e óleo de soja epoxidado (OSE) foram usados na preparação dos compósitos (5, 10, 15 e 20%) visando atuação como agentes compatibilizantes, uma vez que o CO, CA, OLE e OSE têm cadeias hidrocarbônicas com afinidade pelo biopolietileno, e grupos hidroxilas com afinidades pelos grupos polares presentes nas fibras. Os compósitos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) e propriedades mecânicas (impacto e flexão). Os resultados de impacto, flexão e DMA apresentados pelos compósitos mostraram que a incorporação dos óleos nas diferentes composições, principalmente CO, no geral levou a melhores propriedades quando comparados aos compósitos BPEAD/Fibra, indicando uma possível ação dos óleos como compatibilizante na interface fibra/matriz. O compósito BPEAD/15%CO/15%Fibra apresentou uma maior resistência ao impacto (280 J m-1) se comparado ao BPEAD (234 J m-1), indicando o efeito compatibilizante do CO. As propriedades de compósitos (BPEAD/5%CO, CA, OSE ou OLE/10%Fibra) reforçados com curauá (3mm), processados em misturador interno e termoprensados foram comparadas com aqueles processados por extrusão e moldados por injeção. A resistência ao impacto dos compósitos processados via extrusão BPEAD/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) ou OSE/Fibra (222 J m-1) foi maior quando comparada aos compósitos processados via misturador interno BPEAD/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) ou OSE/Fibra (110 J m-1). A análise de DMA também mostrou que o compósito BPEAD/5%CO/10%Fibra preparado por extrusão/injeção apresentou maior módulo de armazenamento (E´) a 30°C de 1660 MPa, enquanto que o compósito processado via misturador interno apresentou E´ de 1219 MPa. Comparando as propriedades mecânicas dos compósitos processados por extrusão/injeção com a dos processados por misturador interno Haake/termoprensagem, conclui-se que extrusão/injeção é um processo mais eficiente para a preparação de compósitos de fibras curtas. O presente estudo também avaliou o potencial de aplicação de nanocristais de celulose (NCC) em filmes baseados em BPEAD. NCCs foram obtidos a partir da hidrólise ácida da fibra de curauá, e foram utilizados (3, 6 e 9 %) na preparação de filmes de BPEAD, visando à obtenção de nanocompósitos. Os nanocompósitos reforçados com nanocristais de curauá foram processados por extrusão, também usando CO (3, 6 e 9%), visando avaliar a ação do mesmo como agente de dispersão de NCC na matriz apolar de BPEAD. A partir dos resultados obtidos para estes filmes, a porcentagem de NCC foi fixada em 3%, e 3% como porcentagem de óleo vegetal, por terem sido estas as condições que levaram ao melhor conjunto de resultados. Além de CO, OSE e OLE também foram usados e, além do processamento extrusão, extrusão/termoprensagem também foi considerado, a fim de comparar as propriedades obtidas nos dois processamentos. Os filmes foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial, termogravimetria, DMA, ensaio de tração, MEV e reologia. A análise de DMA mostrou que a presença de NCC leva a um material mais rígido, e o uso de óleos vegetais na preparação de filmes, levou a uma distribuição mais homogênea dos NCCs na matriz de BPEAD e a uma melhor adesão na interface, evidenciando o efeito compatibilizante dos óleos. As propriedades óticas dos nanocompósitos indicaram que a presença dos óleos levou a filmes menos opacos, para ambos os tipos de processamentos usados. Com relação aos diferentes processamentos usados na preparação dos filmes baseados em BPEAD, óleos e nanocristais, o melhor conjunto de resultados, com destaque para aqueles obtidos no ensaio de tração, foram resultantes do processamento via extrusão/termoprensagem, indicando que este processamento deve favorecer a dispersão de NCCs na matriz de BPEAD. Os resultados desse trabalho apontaram para boas perspectivas para o uso de nanocristais de celulose em filmes baseados em BPEAD (ou PEAD), utilizando óleos vegetais como compatibilizantes e também mostraram que é possível obter melhorias nas propriedades dos nanocompósitos através de processos mais adequados para a escala industrial, como a extrusão. No presente estudo, contribuiu-se para com o desenvolvimento de materiais que, dentre outras propriedades, na sua produção, utilização e substituição, ocorra menor emissão de CO2 para a atmosfera, comparativamente a outros materiais. / The high-density polyethylene used in this work was obtained on an industrial scale by polymerization of ethylene derived from sugar cane ethanol. This polymer is also called biopolyethylene (HDBPE), as it is a material derived from a renewable resource. HDBPE was used as a polymer matrix in composites reinforced by curaua fibers containing 5, 10, 15 and 20 wt%, 1-cm long. Castor oil (CO), canola oil (CA), epoxidized linseed oil (ELO) and epoxidized soybean linseed oil (ESO) were used in the preparation of composites (5, 10, 15 e 20 wt%) aiming to act as a coupling agent, since CO, CA, ESO and ELO have hydrocarbon chains with affinity for polyethylene and hydroxyl groups that can interact with polar groups on the fibers. The composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetryc analysis (TG), dynamic mechanical analysis (DMA) and mechanical properties (flexural and impact strength). The results of impact, flexural strength and DMA presented by composites showed that the incorporation of oils in various compositions, particularly CO, in general has led to improved properties when compared to the composite HDBPE/Fiber, thus indicating a possible action of the oil as a compatibilizer in the fiber/matrix interface. The composite HDBPE/15%CO/15%Fiber had a higher impact strength (280 J m-1) compared to HDBPE (234 J m-1), indicating the compatibilizer effect of CO. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm) and prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and was molded by injection. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm), prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and molded by injection. The impact strength of composites processed via extrusion HDBPE/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) or OSE / fiber (222 J m-1) was higher when compared to composites processed via internal mixer HDBPE/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) or OSE/Fiber (110 J m-1). DMA analysis also showed that the composite HDBPE/5%CO/10%Fiber prepared by extrusion/injection showed higher storage modulus (E\') at 30°C of 1660 MPa, while the composite processed by internal mixer presented an E\' of 1219 MPa. Comparing the mechanical properties of the composites

The aim of this Master’s thesis is to investigate the preparation and structure of nanofibres of inorganic and organic biomaterials. Nanofibres of polycaprolactone, chitosane and their composites with hydroxyapatite particle were prepared by centrifugal force spinning process, which uses centrifugal forces for nanofibres spinning. Designed nanofibres can be used in bone tissue engineering. Experimental activity has started with synthesis of hydroxyapatite nanoparticles and preparation of polymer solutions and composite suspensions at different concentrations. The solutions and the suspensions were characterized by density and viscosity which were changed in dependence on temperature and polymer concentration. The solutions and the suspensions were spun at varying speeds and using two different sizes of collectors. The dependence of spinneret head revolution speed, size of collectors and polymer concentration on nanofibres diameter was studied. Biological activity of polycaprolactone and hydroxyapatite/polycaprolactone nanofibres was tested by means of SBF.

A recent trend in the development of renewable and biodegradable materials has led to the development of composites from renewal sources such as natural fibers. This agricultural activity generates a large amount of waste in the form of peanut shells. The motivation for this research is based on the utilization of peanut shells as a viable source for the manufacture of biocomposites. High-density polyethylene (HDPE) is a plastic largely used in the industry due to its durability, high strength to density ratio, and thermal stability. This research focuses in the mechanical and thermal properties of HDPE/peanut shell composites of different qualities and compositions. The samples obtained were subjected to dynamic mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC), and mechanical tensile strength tests. TO prepare the samples for analysis, the peanut shells were separated into different mesh sizes and then mixed with HDPE at different concentrations. The results showed that samples with fiber size number 10 exhibited superior strength modulus of 1.65 GPa versus results for HDPE alone at 1.32 GPa. The analysis from the previous experiments helped to determine that the fiber size number 10 at 5%wt. ratio in HDPE provides the most optimal mechanical and thermal results. From tensile tests the highest modulus of elasticity of 1.33 GPa was achieved from the samples of peanut shells size number 10 in HDPE at 20%wt. ratio, while the results for HDPE alone were only of 0.8 GPa. The results proved the hypothesis that the addition of peanut shells to HDPE enhances both the thermal and mechanical properties of the composite.

Nowadays, when environmental concerns are becoming increasingly important are there great interest in natural materials and recyclability. The possibility of reusing materials with maintained mechanical properties are essential for sustainability. Today produced approximately 90,000 tons of natural fiber reinforced composites in Europe of those are 40,000 tons compression molded of which the automotive industry uses 95%. Natural fiber reinforced composites is recyclable and therefore interesting in many applications. Also, natural fiber reinforced composites is inexpensive, light in weight and shows decent mechanical properties which makes them attractive to manufactures. However, the problem with natural fiber reinforced composites is the poor adhesion between fiber and matrix, the sensitivity of humidity and their low thermal stability. Those problems could be overcome by addition of compatibilizer and reactive filler. This study will examine the technical requirement in order to develop a sustainable and recyclable biocomposite. It investigates the composition of matrix (polypropylene), fiber (flax), compatibilizer (maleic anhydride grafted polypropylene) and reactive filler (CaO) in order to obtain various combinations of stiffness, strength and processability. The two main methods used for preparing samples were compounding and injection molding. Results shows that 20 wt% flax was the optimal fiber content and that maleic anhydride grafted polypropylene is a very good compatibilizer by enhancing the strength significant. Surprisingly was the strength impaired due to the addition of CaO. The composition of 20 wt% flax, 1 wt% maleic anhydride grafted polypropylene and 79 wt% polypropylene is the technically most favorable composition.