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The measurement of the work of adhesion is of significant technical interest in a variety of applications, ranging from a basic understanding of material behavior to the practical aspects associated with making strong, durable adhesive bonds. The objective of this thesis is to investigate a novel technique using an elastica loop to measure the work of adhesion between solid materials. Considering the range and resolution of the measured parameters, a specially designed apparatus with a precise displacement control system, an analytical balance, an optical system, and a computer control and data acquisition interface is constructed. An elastica loop made of poly(dimethylsiloxane) [PDMS] is attached directly to a stepper motor in the apparatus. To perform the measurement, the loop is brought into contact with various substrates as controlled by the computer interface, and information including the contact patterns, contact lengths, and contact forces is obtained. Experimental results indicate that due to anticlastic bending, the contact first occurs at the edges of the loop, and then spreads across the width as the displacement continues to increase. The patterns observed show that the loop is eventually flattened in the contact region and the effect of anticlastic bending of the loop is reduced. Compared to the contact diameters observed in the classical JKR tests, the contact length obtained using this elastica loop technique is, in general, larger, which provides potential for applications of this technique in measuring interfacial energies between solid materials with high moduli. The contact procedure is also simulated to investigate the anticlastic bending effect using finite element analysis with ABAQUS. The numerical simulation is conducted using a special geometrically nonlinear, elastic, contact mechanics algorithm with appropriate displacement increments. Comparisons of the numerical simulation results, experimental data, and the analytical solution are made. / Master of Science

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L'exfoliation en phase liquide du graphite est l'une des méthodes les plus prometteuses pour augmenter la production et la disponibilité commerciale du graphène. Le processus d'exfoliation peut être décrit, de manière conceptuelle, en quatre étapes: le contact du graphite avec le liquide, l'intercalation du solvant entre les feuillets de graphène, la dispersion du matériau à deux dimension et sa stabilisation en phase liquide. Comme les liquides ioniques peuvent être facilement obtenus avec différentes structures moléculaires et donc des propriétés physicochimiques modulables, ils ont été utilisés dans cette thèse comme milieux liquides pour l'exfoliation du graphite. Notre objectif est d'optimiser l'exfoliation du graphite à travers la compréhension des mécanismes moléculaires et des interactions impliquées dans chaque étape du processus. Les énergies interfaciale graphite-liquide ont été calculées à partir de tensions de surface et d'angles de contact mesurées entre des liquides ioniques et du graphite pour déterminer l'affinité de différents liquides à la surface du graphite. Afin d'étudier cette interface liquide - solide, des simulations en dynamique moléculaire ont été menées pour analyser l'organisation des liquides ioniques à la surface du graphite. De même, l'énergie libre nécessaire pour créer des cavités au sein du liquide ionique a été calculée.Des simulations moléculaires ont également été réalisées pour modéliser l'exfoliation d'un feuillet de graphène à partir de graphite en apportant une vue microscopique de l'intercalation des molécules de solvant. L'énergie nécessaire à l'exfoliation a pu être calculée en présence de différents liquides. Des composés polyaromatiques ont été considérés comme des modèles pour le graphène car ils peuvent être facilement obtenus purs, sans variabilité de structure, défauts ou groupes fonctionnels non contrôlés. Les enthalpies de dissolution du naphtalène, anthracène et pyrène dans différents liquides ioniques ont été mesurées par calorimétrie en solution et liées à leur solubilité. L'organisation des ions autour de ces composés modèles a été étudiée par simulation moléculaire et spectroscopie Infra-Rouge.Après l'exfoliation, les échantillons de graphène en suspension dans différents liquides ioniques ont été caractérisés expérimentalement en termes de taille de feuillets (microscopie électronique à transmission et microscopie à force atomique), nombre de couches de graphène (microscopie à force atomique, spectroscopie Raman), concentration totale (spectroscopie UV-visible) et pureté du matériau exfolié (spectroscopie de photoélectrons~X). Vingt liquides ioniques différents à base de cations imidazolium, pyrrolidinium et ammonium et d'anions bis (trifluorométhylsulfonyl)imide, triflate, dicyanamide, tricyanométhanide et méthylsulfate ont été testés. Les interactions moléculaires permettant d'établir de règles de conception pour les liquides ioniques capables d'exfolier les matériaux carbonés ont été identifiées. Le cation pyrrolidinium a montré des résultats prometteurs dans toutes les étapes du processus d'exfoliation, par rapport au cation imidazolium ou ammonium. La sélection d'un grand anion flexible a réduit l'énergie interfaciale avec le graphite, dispersé les nanocarbones en augmentant l'entropie du système et stabilisé le graphite exfolié en plus grande quantité. Un petit anion tel que le triflate semble être favorable à l'obtention de graphène, même si la taille des couches et leur quantité sont réduites. Un liquide ionique ayant une partie apolaire importante facilitera l'insertion et la dispersion du nanomatériau de carbone. Pour la stabilisation du graphite, les interactions alkyle-π et π- π sont décisives. / The liquid-phase exfoliation of graphite is one of the most promising methods to increase production and commercial availability of graphene. The exfoliation process can be conceptually described in four steps: the contact of the graphite with liquid, the intercalation of the solvent between layers, the dispersion of the two dimensional material, and its stabilization in the liquid-phase. Because ionic liquids can be easily obtained with chosen molecular structures and tunable physicochemical properties, they were used in this study as liquid media for the exfoliation of graphite. Our aim is to optimize the exfoliation of graphite through the understanding of the molecular mechanisms and of the interactions involved in each step of the process.The liquid-graphite interfacial energies from measured surface tensions and contact angles, between ionic liquids and pristine graphite surface, were used to determine the affinity of different liquids at the surface of graphite. In order to investigate this interface, molecular dynamics simulations were conducted to analyse the ordering of ionic liquids at the surface of graphite. The free energies necessary to create cavities inside the bulk ionic liquid have also been studied.Molecular simulations were also used to study the exfoliation of one graphene layer from a stack of graphite and hence provide a microscopic view of the intercalation of solvent molecules. The energies involved in the process have been calculated.Polyaromatic compounds were regarded as models for graphene as they can be easily obtained pure, without structure variability, defects or uncontrolled functional groups. Enthalpies of dissolution of polyaromatic hydrocarbons (naphthalene, anthracene and pyrene) in different ionic liquids were measured by solution calorimetry and related with their solubility. The ordering of the ions around this model compounds were studied by molecular simulation and spectroscopy Infra-Red.After exfoliation, samples of suspended graphene in different ionic liquids have been characterized experimentally in terms of flake size (using transmission electron microscopy and atomic force microscopy), number of layers (atomic force microscopy, spectroscopy Raman), total concentration (UV-visible spectroscopy) and purity of the exfoliated material (X-ray photoelectron spectrometry).Twenty different ionic liquids based on imidazolium, pyrrolidinium and ammonium cations and on bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, triflate, dicyanamide, tricyanomethanide, and methyl sulfate have been tested. The molecular interactions have been identified thus allowing the establishment of design rules for ionic liquids capable of exfoliating carbon materials. The pyrrolidinium cation has shown promising results in all the steps of exfoliation process, compared to the imidazolium or ammonium cation. Selecting a large and flexible anion reduced the interfacial energy with graphite, dispersed the nanocarbons by increasing the entropy of the system and stabilized the exfoliated graphite in larger quantity. A small anion such as triflate appears to be favorable for obtaining graphene, whereas the size of the layers and their quantity is reduced. An ionic liquid having an important apolar portion will facilitate the insertion and dispersion of graphene layers. For the stabilization of graphite, the alkyl-π et π -π interactions are decisive.

Le carbure cémenté (WC-Co) est un système biphasé constitué de grains de carbure de tungstène enrobés dans un liant à base de cobalt. Dans ce matériau composite, qui allie donc la dureté du carbure à la résilience du cobalt, la maîtrise de la microstructure est un paramètre clef pour l’optimisation des propriétés mécaniques.Le but de ce travail est de mettre au jour les mécanismes régissant le développement des joint de grain et des joints de phase lors du frittage. L’effet de la teneur en liant, du taux de carbone et du temps de frittage ont été particulièrement étudiés.Ce travail est basée sur la caractérisation du matériau par EBSD (Electron BackScattered Diffraction), une méthode qui facilite la séparation des grains et donc l’utilisation de techniques d’analyse d’image pour étudier la microstructure. En outre un programme basé sur les données d’orientation des grains collectées par EBSD et permettant l’analyse de la texturation des joints de grain et des joints de phase a été développé pour cette étude.L’étude de la contiguité montre qu’elle ne dépend pas du taux de frittage ni de la teneur en carbone du liant, mais essentiellement de la fraction volumique de liant. Cela implique que l’encombrement et l’imbrication des particules sont les principaux paramètres entrant en compte dans l’établissement de la contiguité. Un grossissement plus rapide et plus marqué a été observé dans les échantillons riches en carbone, ainsi que dans ceux présentant un fort taux de liant. Un grossissement anormal a été observé dans les échantillons riches en carbone et à fort taux de liant. La désorientation aux joints de grains est caractérisée par un couple axe/angle décrivant la rotation liant les deux cristaux. L’étude de la distribution des axes a révélé que trois rotations sont particulièrement abondantes : celles autour de [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] et [0001]. Elles représentent environ 30% de la surface totale des joints de grains. Pour chacune des rotations particulières ont été détectées : [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) et [0001]/90°. L’étude de la géométrie de ces joints suggère que leur remarquable stabilité est due au fort taux de cohérence dans le plan de joint. L’analyse statistique des plans de joint de grain et de joint de phase montre que la plupart d’entre eux correspond à un plan basal ou prismatique pour au moins l’un des deux grains (70% environ de la surface totale de joint de grain, et 50% environ de la surface totale de joint de phase). Sur la base de ces résultats, un scénario décrivant l’évolution de la microstructure durant le frittage est finalement proposé. / WC-Co cemented carbide is a two phase system constituted of a cobalt based binder matrix embedding hard tungsten carbide grains. This material is especially used in fields such as metal cutting or mining, where high mechanical properties are required. Therefore, the microstructure is a key parameter to control to optimize the mechanical properties of the alloy.This work aims at understanding the mechanisms of grain boundary and phase boundary development during sintering, and how they may influence the final microstructure. The effect of the binder content, carbon content and sintering time was especially investigated.Electron BackScattered Diffraction characterization was chosen to conduct this study. First because the precise separation of grains in the resulting images makes possible automation of the measurements, and thus allows a statistical analysis of several microstructural parameters (as grain size, contiguity) on numerous samples. Secondly because orientation data collected by this way make possible the analysis of grain boundary and phase boundary texture. To this end, an automated method was developed for analysis of grain boundaries and estimation of remarkable boundary planes fraction from 2D EBSD measurements.The study of contiguity shows that it does not depend on sintering time or carbon content in the binder, but essentially of the carbide grain volume fraction. This result implies that impingement is the first order parameter in the evolution of contiguity. Grains appear to grow faster and in a larger extent in samples with a carbon rich binder, as well as in high binder content samples. Abnormal grain growth seems to be favored by high binder content in carbon rich samples. All grain boundaries were characterized by a couple of rotation axis and misorientation angle. Three particular rotation axes were identified: [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] and [0001]. They represent around 30% of the total grain boundary surface area. In addition, specific rotations were found to be particularly abundant in the microstructure: [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) and [0001]/90°.A study of their geometry suggests that their stability would be due to a particularly coherent boundary plane. A statistical analysis shows that most grain boundaries and phase boundaries have a habit plane parallel to a basal or prismatic plane (about 70% of the total grain boundary surface area and 50% of the total phase boundary area. Finally, a scenario is proposed for the microstructure development model during sintering of cemented carbides on the basis of the results.

La synthèse de nanoparticules de fer zéro-valent, par le couplage des procédés d'ultrasonication et d'électrodéposition, est étudiée selon deux approches. La première partie de l'étude s'intéresse à l'influence du substrat, utilisé pour l'électrodéposition, sur la croissance des dépôts de fer et sur leur dispersion par ultrasonication. L'énergie interfaciale ainsi que l'énergie d'adhésion du dépôt sur le substrat (Y_(Fe/substrat) et W_(Fe/substrat) respectivement) étant reliées à l'énergie de surface et à la rugosité du substrat, un intérêt particulier a été porté à ces deux propriétés. Ainsi, deux matériaux présentant des énergies de surface différentes, l'or (Au) et le carbone vitreux (VC), ainsi que des rugosités différentes ont été testés. Un développement théorique basé sur les interactions de Van der Waals a permis de démontrer que Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) ce qui suggère une meilleure affinité du dépôt de fer avec l'or qu'avec le VC. Cette différence influence la morphologie (croissance 2D sur or et 3D sur le VC) mais aussi l'adhésion des dépôts. En effet, les expériences réalisées pour étudier l'effet des ultrasons sur le dépôt de fer révèlent une dispersion du dépôt progressive et complète pour le cas du VC alors qu'aucun détachement du dépôt n'est obtenu en utilisant l'or. La seconde partie de l'étude est consacrée à la synthèse de nanoparticules de fer par une nouvelle approche : l'électrodéposition de dépôts de fer ramifiés est étudiée dans une cellule de Hele-Shaw intégrant un élément vibrant (diaphragme piézoélectrique) permettant à la fois la formation de dépôts de fer et leur fragmentation. Les expériences menées révèlent que les bulles d'hydrogène, formées lors de la co-réduction des protons libres durant l'électrodéposition du fer, influencent fortement le processus de fragmentation. En utilisant des hautes fréquences et amplitudes de vibration du PZT, les bulles d'hydrogène oscillent avec des déformations de surface. Celles-ci génèrent des vitesses d'interface suffisamment hautes (˜ 4 m/s) pour permettre aux bulles de fragmenter des dépôts ramifiés en particules de fer, de tailles comprises entre 1 µm et 100 nm, et présentant une grande surface spécifique due à leur morphologie dendritique. Cette deuxième partie de l'étude permet d'ouvrir la voie à une nouvelle technologie de fabrication des nanoparticules. / This study concerns the coupling of the ultrasounds with the electrodeposition process for the synthesis of zero-valent iron nanoparticles; it is structured in two sections. The first focuses on the electrode substrate used for the iron electrodeposition and aims to determine its influence on both the deposit growth and its dispersion by ultrasonication. The interfacial and the adhesion energies of the deposit on the substrate (Y_(Fe/substrate) and W_(Fe/substrate) respectively) being related to the surface energy and the roughness of the substrate, a particular focus is put on the influence of these two properties. Thus, two materials of different surface energies, gold (Au) and vitreous carbon (VC), as well as various roughnesses, are tested. Considering only the Van der Waals interactions, a theoretical development has enabled to determine that Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) which suggests a better affinity of the iron deposit with the gold than with the VC substrate. This difference impacts the deposit morphology (2D growth on the gold and 3D growth on the VC substrate) but also the deposit adhesion. Indeed, experiments performed to study the effect of ultrasounds on the iron electrodeposit reveal its progressive and complete dispersion for the vitreous carbon case while no dispersion (no removal of the deposit from the electrode) is obtained with the gold substrate. The second section of the present study deals with the synthesis of iron nanoparticles; to this end, the electrodeposition of branched deposits has been investigated in a Hele-Shaw cell integrating a vibrating element (piezoelectric diaphragm), expected to allow both the deposit formation and its fragmentation. Experiments reveal that the hydrogen bubbles, formed by the co-reduction of free protons during the iron electrodeposition, strongly influence the fragmentation process. Using high vibration frequencies and high amplitudes, the bubbles oscillate with surface deformations, inducing interface velocity sufficiently high (˜ 4 m/s) to allow the fragmentation of the deposit into particles of sizes ranging between 1 µm and 100 nm and showing a high specific surface due to their dendritic morphology. Thus this work opens the way for a new particles manufacturing technology.

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La précipitation et la dissolution du carbonate de calcium (CaCO3) sont des processus clés dans les systèmes naturels en raison de leur association intime avec le cycle du carbone terrestre. La précipitation se produit généralement sur des substrats étrangers en abaissant les barrières énergétiques qui contrôlent la nucléation. Ce processus appelé nucléation hétérogène résulte d'une interaction entre la sursaturation du fluide et les différentes énergies d’interface entre substrat-noyau-fluide. Malgré l’importance des énergies d’interface sur le devenir de la nucléation hétérogène, la littérature actuelle reste rare dans leurs valeurs absolues, limitant la précision de la modélisation du transport réactif. La formation des biominéraux constitue un réservoir majeur des carbonates dans la lithosphère. Des études récentes ont révélé des nucléations par multi-étapes impliquant la formation du carbonate de calcium amorphe (ACC), un intermédiaire métastable durant les premiers stades de la formation des biominéraux. De tels précurseurs amorphes permettent de réaliser les formes complexes des biominéraux, tandis que leur stabilité et leur cinétique de cristallisation sont contrôlées par de multiples facteurs. L'élucidation des mécanismes sous-jacents est bénéfique pour le développement de matériaux biomimétiques.Le premier objectif est de développer une compréhension prédictive des valeurs d'énergie d’interface régissant la nucléation hétérogène du CaCO3 en fonction des propriétés physico-chimiques spécifiques des substrats, comme l'hydrophobicité. Cette dernière est étudiée en utilisant de la phlogopite avec et sans substitution par le fluor produisant des substrats hydrophobes et hydrophiles. La technique de diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante a été employée in situ pour obtenir des valeurs d’énergie effective d’interface. Il est intéressant de noter que les valeurs extraites pour les deux substrats sont similaires, et thermodynamiquement les deux fournissent un bon modèle pour la nucléation, alors que leurs mécanismes sont différents. La caractérisation ex situ par microscopie à force atomique a montré que le substrat hydrophile favorise la formation et la stabilisation d’ACC, tandis que le substrat hydrophobe favorise la formation de calcite. Ces résultats soulignent la flexibilité structurelle intrinsèque du CaCO3 et son avantage dans les processus de nucléation hétérogènes.Le deuxième objectif est de fournir une description atomistique de l'hydrophobicité du substrat. L'adsorption d'eau sur la phlogopite a été réalisée in situ par spectroscopie de photoélectrons à pression ambiante pour étudier l'effet de la substitution par le fluor et de différents types de contre-ions (K+, Na+ vs. Cs+). Ces résultats ont été interprétés par des simulations de dynamique moléculaire et la théorie de bond-valence. La combinaison de ces techniques montre que l'hydrophobicité du substrat provient d'une compétition entre deux facteurs: l'hydratation des contre-ions par rapport à celle du substrat.Le but final est d'étudier les mécanismes moléculaires par lesquels Mg2+, une impureté chez les précurseurs amorphes biogéniques, augmente la persistance cinétique d’ACC. La technique de diffusion inélastique incohérente des neutrons a été combinée avec la spectroscopie de corrélation de photons X pour élucider la dynamique à l'échelle nanométrique de l'eau et des ions dans les ACC. Les résultats montrent que la présence de Mg2+ augmente la diffusion atomique dans le solide tout en amplifiant la rigidité du réseau des liaisons hydrogène. Ces résultats contre-intuitifs sont abordés en considérant différents facteurs cinétiques inclus dans l’équation décrivant le taux de nucléation au sein de la théorie classique de la nucléation. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent l'importance de l'eau comme stabilisant cinétique de la structure amorphe et de l'existence de barrières stériques qui abaissent le taux de cristallisation. / Precipitation and dissolution of calcium carbonate (CaCO3) are key processes in both natural and engineered systems due to their intimate association with the Earth’s carbon cycle. Precipitation usually occurs on foreign substrates since they lower the energetic barriers controlling nucleation events. This so-called heterogeneous nucleation results from the interplay between the fluid supersaturation and the interfacial free energies present at the substrate-nucleus-fluid interfaces. Despite the relevance of interfacial energies for the fate of heterogeneous nucleation, the current literature remains scarce in their absolute values, which limits the accuracy of reactive transport modelling. Of particular relevance to the carbon cycle, the formation of biominerals accounts for a major reservoir of the carbonate minerals in the lithosphere. Recent studies have revealed the existence of multistep nucleation pathways that involve formation of amorphous calcium carbonate (ACC), a metastable intermediate during the early stages of biomineral formation. Such amorphous precursors allow molding of the intricate shapes of biominerals, while their stability and crystallization kinetics are effectively controlled by multiple factors. Elucidating the underlying mechanisms is beneficial for the development of biomimetic materials.The first goal of this dissertation is to develop a predictive understanding of interfacial energy values governing CaCO3 heterogeneous nucleation as a function of specific physico-chemical properties of the substrates, such as hydrophobicity. This last was investigated using phlogopite, a common mica, with and without fluorine substitution yielding hydrophobic and hydrophilic substrates. In situ time-resolved Grazing-Incidence Small Angle X-ray Scattering experiments were performed to obtain effective interfacial energy values. Interestingly, the extracted values for both substrates were similar, and thermodynamically these substrates provide a good template for nucleation, but the pathways differ. By ex situ Atomic Force Microscopy characterization, the hydrophilic substrate was shown to promote the formation and stabilization of ACC, whereas the hydrophobic one favored the formation of calcite. These results point to the intrinsic structural flexibility of CaCO3 and its advantage in heterogeneous nucleation processes.The second goal is to provide an atomistic description of the substrate hydrophobicity/hydrophilicity. Water adsorption on phlogopite was studied in situ using Near-Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy to investigate the effect of fluorine substitution and the influence of different types of counterions (K+, Na+ vs. Cs+). The results of the spectroscopy experiments were further interpreted using molecular dynamics simulations and bond-valence theory. The combination of these techniques shows that the substrate hydrophobicity stems from a competition between two factors: hydration of counterions vs. that of substrate.The final goal is to study the molecular mechanisms by which Mg2+, a common impurity in biogenic amorphous precursors, increases the kinetic persistence of ACC. Inelastic Incoherent Neutron Scattering and X-ray Photon Correlation Spectroscopy were combined to elucidate the nanoscale dynamics of water and ions within ACC. The presence of Mg2+ was shown to enhance the atomic diffusion within the solid while simultaneously increasing the stiffness of the hydrogen bond network. These counter-intuitive results are addressed by considering the different factors included in the pre-exponential term of the nucleation rate equation within the framework of the classical nucleation theory. Overall, the results point to the importance of water as a kinetic stabilizer, and to the existence of steric barriers that lower the crystallization rate.

In thisproject, solubility of butyl paraben in 7 puresolvents and 5 ethanol aqueous solvents has been determined at from 1 ℃to 50 ℃. Thermodynamic properties of butyl paraben have been measured by DifferentialScanning Calorimetey. Relationship between molar solubility of butyl paraben in6 pure solvents and thermodynamic properties has been analyzed. Thisrelationship suggests a method of estimating activity of solute at equilibrium fromcombining solubility data with DSC measurements. Then, activity coefficient accordingto the solubility at different temperatures can be estimated. Duringthe solubility measurements in ethanol aqueous solvents, it is found that whenbutyl paraben is added into aqueous solutions with certain proportion ethanol,solutions separates into two immiscible liquid layers in equilibrium. Water andethanol are primary in top layer, while the butyl paraben is primary in bottomlayer, but the solution turns to cloudy when two layers of solution are mixed. Theaim of this work was to present the phase behaviour of liquid-liquid-phaseseparation for (butyl paraben + water + ethanol) ternary system from 1 ℃ to 50 ℃at atmospheric pressure. Thearea of liquid-liquid-phase separation region in the ternary phase diagram increaseswith the increasing temperature from 10 ℃to 50 ℃. In thisstudy, more than several hundreds of nucleation experiments of butyl paraben havebeen investigated in ethyl acetate, propanol, acetone and 90% ethanol aqueoussolution. Induction time of butyl paraben has been determined at 3 differentsupersaturation levels in these solvents, respectively. Free energy ofnucleation, solid-liquid interfacial energy, and nuclei critical radius havebeen determined according to the classical nucleation theory. Statistical analysis ofinduction time reveals that the nucleation is a stochastic process with widevariation even at the same experiment condition. Butyl paraben nucleates most difficultlyin 90 % ethanol than in other 3 solvents, and most easily in acetone. The interfacialenergy of butyl paraben in these solvents tends to increasing with decreasemole fraction solubility in these solvents. Coolingcrystallizations with different proportions of butyl paraben, water and ethanolhave been observed by Focused Beam Reflectance Method, Parallel VirtualMachine, and On-line Infrared. The FBRM, IR curves and the PVM photos show someof the solutions appeared liquid-liquid phase separation during coolingcrystallization process. The results suggest that if solutions went throughliquid-liquid phase separation region during the cooling crystallizationprocess the distribution of crystals crystal was poor. Droplets from solutions withsame proportion butyl paraben but different proportions of water and ethanolhave been observed under microscope. Induction time of the droplets has been determinedunder the room temperature. Droplets from top layer or bottom layer of solutionwith liquid-liquid phase separation on small glass or plastic plates were alsoobserved under microscope. The microscope photos show that the opposite flows ofcloudy solution on the glass and the plastic plate before nucleation. The resultsof the cooling and evaporation crystallization experiments both revealed thatnucleation would be prevented by the liquid-liquid phase separation. / QC 20110630

In this work, the solubility of butyl paraben in 7 pure solvents and in 5 different ethanol-water mixtures has been determined from 1 ˚C to 50 ˚C. The solubility of ethyl paraben and propyl paraben in various solvents has been determined at 10 ˚C. The molar solubility of butyl paraben in pure solvents and its thermodynamic properties, measured by Differential Scanning Calorimetry, have been used to estimate the activity of the pure solid phase, and solution activity coefficients. More than 5000 nucleation experiments of ethyl paraben, propyl paraben and butyl paraben in ethyl acetate, acetone, methanol, ethanol, propanol and 70%, 90% ethanol aqueous solution have been performed. The induction time of each paraben has been determined at three different supersaturation levels in various solvents. The wide variation in induction time reveals the stochastic nature of nucleation. The solid-liquid interfacial energy, free energy of nucleation, nuclei critical radius and pre-exponential factor of parabens in these solvents have been determined according to the classical nucleation theory, and different methods of evaluation are compared. The interfacial energy of parabens in these solvents tends to increase with decreasing mole fraction solubility but the correlation is not very strong. The influence of solvent on nucleation of each paraben and nucleation behavior of parabens in each solvent is discussed. There is a trend in the data that the higher the boiling point of the solvent and the higher the melting point of the solute, the more difficult is the nucleation. This observation is paralleled by the fact that a metastable polymorph has a lower interfacial energy than the stable form, and that a solid compound with a higher melting point appears to have a higher solid-melt and solid-aqueous solution interfacial energy. It has been found that when a paraben is added to aqueous solutions with a certain proportion of ethanol, the solution separates into two immiscible liquid phases in equilibrium. The top layer is water-rich and the bottom layer is paraben-rich. The area in the ternary phase diagram of the liquid-liquid-phase separation region increases with increasing temperature. The area of the liquid-liquid-phase separation region decreases from butyl paraben, propyl paraben to ethyl paraben at the constant temperature. Cooling crystallization of solutions of different proportions of butyl paraben, water and ethanol have been carried out and recorded using the Focused Beam Reflectance Method, Particle Vision and Measurement, and in-situ Infrared Spectroscopy. The FBRM and IR curves and the PVM photos track the appearance of liquid-liquid phase separation and crystallization. The results suggest that the liquid-liquid phase separation has a negative influence on the crystal size distribution. The work illustrates how Process Analytical Technology (PAT) can be used to increase the understanding of complex crystallizations. By cooling crystallization of butyl paraben under conditions of liquid-liquid-phase separation, crystals consisting of a porous layer in between two solid layers have been produced. The outer layers are transparent and compact while the middle layer is full of pores. The thickness of the porous layer can reach more than half of the whole crystal. These sandwich crystals contain only one polymorph as determined by Confocal Raman Microscopy and single crystal X-Ray Diffraction. However, the middle layer material melts at lower temperature than outer layer material. / <p>QC 20130515</p> / investigate nucleation and crystallization of drug-like organic molecules