O presente estudo demonstrou que a formação de cavidades (breath figures) em filmes de CA, CAPh, CAB e CMCAB preparados por spin-coating de soluções em tetrahidrofurano (THF) foi dependente das características moleculares dos polímeros quando preparados em ambiente com umidade relativa baixa (UR 35%), enquanto que em UR mais elevadas (55% e 75%) o balanço entre a energia superficial da água, THF e energia interfacial entre água e THF foi determinante. Por outro lado, a rápida exposição (de 3 a 6 min) desses filmes ao vapor de solvente teve um efeito plastificante tornando os filmes de CAB, CAPh e CMCAB completamente lisos, enquanto que para filmes de CA foi observado o efeito dewetting. Surfactantes biocompatíveis à base de sorbitano (Tween®) foram usados como plastificantes para filmes de ésteres de celulose obtidos por evaporação de solvente. O comportamento térmico dos filmes foi dependente do tamanho da cauda hidrofóbica do surfactante, do tipo do grupo lateral dos polímeros e da composição da mistura. Tween 20 e 40 mostraram agir como um excelente plastificante para os ésteres de celulose, exceto para o CA, no qual foi imiscível. Teores baixos de Tween favoreceram a flexibilidade das cadeias de polímeros ao passo que quantidades maiores aumentaram a mobilidade molecular dos ésteres de celulose levando a variações de Tg de até 200 °C. Filmes de nanocompósitos de CAB reforçados com nanocristais de celulose (CNC) modificados com diferentes grupos funcionais (acetato e metiladipoíla) foram preparados a partir de dispersões em acetato de etila (AE), THF e N,N-dimetilformamida (DMF). A melhor estabilidade coloidal foi verificada em DMF, devido sua alta polaridade. Suspensões em AE e THF de CNC modificados foram mais estáveis do que CNC por conta das interações entre grupos substituintes e solventes. As propriedades mecânicas dos nanocompósitos, resultantes da dispersibilidade de nanocristais na matriz de CAB mostraram forte relação com a estabilidade coloidal das dispersões. Beads de celulose foram obtidos utilizando polpa pré-tratada de eucalipto, oxidados e utilizados como suporte para incorporação de um agente bactericida QPVP-C5. Bactérias de Micrococcus luteus adsorveram sobre beads oxidados e nos beads contendo baixa quantidade de QPVP-C5 adsorvido e foi observada propriedade biocida nos beads com elevada quantidade de QPVP-C5 adsorvido. Os resultados mostram o preparo de materiais celulósicos multifuncionais de baixo custo e simples preparação para aplicações em meios aquosos com a finalidade de imobilização e ação biocida frente a bactérias Gram-positivas. / The present study demonstrated that the breath figures formation in CA, CAPh, CAB and CMCAB films spin-coated from solutions in tetrahydrofuran (THF) was dependent on the polymers molecular characteristics when prepared under low relative humidity (RH 35%), whereas under higher RH (55% and 75%), the balance among water and THF surface energy and interfacial energy between water and THF was determinant. On the other hand, the short solvent vapor exposure had a plasticizer effect, making CAB, CAPh and CMCAB films completely smooth (from 3 up to 6 min), while dewetting phenomena was observed for CA films. Biocompatible sorbitan-based surfactants (Tween®) were used as plasticizer for CA, CAPh, CAB and CMCAB casted films. The thermal behavior of films was dependent on the size of surfactant hydrophobic tail, type of polymer side group and the mixture composition. Tween 20 and 40 showed act as an excellent plasticizer for cellulose esters, except for CA, which was immiscible. Low Tween content favored polymeric chains flexibility while higher content increased the cellulose esters molecular mobility leading to Tg variations up to 200 °C. CAB-based nanocomposites casted films reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) modified with different functional groups (acetate and methyl adipoil) were prepared from dispersions in ethyl acetate (EA), THF and N,N-dimethylformamide (DMF). The best colloidal stability was verified in DMF, due its high polarity. Suspensions in EA and THF of modified CNC where more stable than unmodified CNC, regarding the interactions among substituents groups and solvents. The mechanical properties of nanocomposites stemming from nanocrystals dispersibility in the CAB matrix showed strong relationship with the colloidal stability. Cellulose beads were obtained by using pretreated Eucalyptus pulp, oxidized and used as a support for the incorporation of a biocide agent. Micrococcus luteus bacteria adsorbed onto oxidized beads and on the beads with low content of adsorbed QPVP-C5. It was observed biocide property for the beads with high QPVP-C5 content. The results show the simple preparation of low cost multifunctional cellulosic materials for applications in aqueous media for the purpose of immobilization and biocide action against Gram-positive bacteria.

Este trabalho de tese tem como objetivo a preparação de látices nanocompósitos à base da argila Laponita RD em emulsão aquosa, via polimerização radicalar controlada por transferência de cadeia via adição-fragmentação reversível (RAFT). A Laponita foi escolhida como carga inorgânica devido principalmente à forma anisotrópica de suas lamelas, o que permite a elaboração de filmes nanoestruturados, mas também por suas propriedades térmicas e mecânicas, por sua alta pureza química e pela distribuição uniforme, em termos de tamanho, de suas partículas. Inicialmente, polímeros hidrofílicos (macroRAFT) à base de poli(etileno glicol) (PEG), de ácido acrílico (AA) ou de metacrilato de N,N-dimetilaminoetila (DMAEMA) que contêm unidades hidrofóbicas de acrilato de nbutila (ABu) (em alguns casos) e um grupo tritiocarbonílico terminal foram sintetizados. Em seguida, a interação entre os macroagentes de controle (macroRAFTs) e a argila foi estudada através de isotermas de adsorção. Atuando como agentes de acoplamento e estabilizantes, esses macroRAFTs foram então utilizados na copolimerização em emulsão do (met)acrilato de metila e do ABu em processo semicontínuo na presença da argila Laponita. Partículas de látex híbrido de diferentes morfologias foram obtidas e os resultados foram correlacionados à natureza e à concentração dos macroRAFTs, ao pH da dispersão macroRAFT/Laponita, à temperatura de transição vítrea do copolímero final (função da composição da mistura de monômeros hidrofóbicos) e às condições de polimerização. As análises de cryo-TEM indicam a formação de lamelas de Laponita decoradas com partículas de polímero (várias partículas de látex localizadas na superfície das lamelas), de partículas do tipo dumbbell, janus, blindadas (partículas de látex decoradas com lamelas de argila em sua superfície) ou ainda de partículas multiencapsuladas (diversas lamelas encapsuladas dentro de uma única partícula de látex). As propriedades mecânicas dos filmes de polímero/Laponita foram estudadas por análise dinâmico-mecânica e correlacionadas à morfologia das partículas e à microestrutura dos filmes. / The aim of this work is to prepare Laponite RD-based nanocomposite latexes by aqueous emulsion polymerization, using the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Laponite platelets were selected as the inorganic filler due, especially, to their anisotropic shape, which allows the production of nanostructured films, but also for their thermal and mechanical properties, their high chemical purity and the uniform dispersity of the platelets. Hydrophilic polymers (macroRAFT) composed of poly(ethylene glycol) (PEG), acrylic acid (AA) or N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) and comprising hydrophobic n-butyl acrylate (BA) units (in some cases) and trithiocarbonate terminal group were initially synthesized. Then, the interaction between the macroRAFTs and the clay was studied through the plot of adsorption isotherms. By acting as coupling agents and stabilizers, the macroRAFT agents were used in the emulsion copolymerization of methyl (meth)acrylate and BA by semi-continuous process in the presence of the clay. Hybrid latex particles with different morphologies were obtained and the results were associated to the nature and concentration of the RAFT (co)polymers, to the pH of the macroRAFT/Laponite dispersion, the glass transition temperature of the final copolymer (function of the composition of the hydrophobic monomers mixture) and to the polymerization conditions. The cryo-TEM images indicate the formation of polymerdecorated Laponite platelets (several latex particles located at the surface of the platelets), dumbbell-like, janus, Laponite-decorated (armored) latex particles, and multiple encapsulated particles (several platelets inside each latex particle). The mechanical properties of polymer/Laponite films were studied by dynamic mechanical analysis and correlated with the particles morphology and the films microstructure.

In der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip der chemischen Oberflächenmodifikation als allgemeine Synthesestrategie beschrieben. Davon ausgehend werden verschiedene Ansätze der chemischen Funktionalisierung dargestellt, mit denen die Eigenschaften der erhaltenen Materialien eingestellt werden können. Im Fokus der Arbeit stehen Eisenoxid-Nanopartikel, die über die „Benzylalkohol-Route“ dargestellt werden. Es wird auf Basis dieser einfachen und vielseitig anwendbaren Funktionalisierung die Herstellung von neuartigen Hybridmaterialien gezeigt. Zur Funktionalisierung zweier magnetischer molekularer Rezeptoren wurde eine Synthesestrategie entwickelt, bei der organische Gruppen kovalent angebunden wurden. Der erste Rezeptor kann zur Erkennung von Biomarkern und den Metaboliten von Pharmazeutika eingesetzt werden. Die Beschichtung der Oberflächen der Eisenoxid-Nanopartikel gelang dabei durch die Verwendung von Organosilan-basierten Kopplungsreagenzien. Der zweite Rezeptor konnte zur Auftrennung eines racemischen Gemisches eines chiralen cavitand eingesetzt werden. Die Darstellung von Graphenoxid-Eisenoxid-Kompositen gelang erfolgreich durch ein ex-situ Verfahren. Es wurde der Einfluss der Oberflächenfunktionalitäten auf die Beladung und Verteilung der Eisenoxid-Nanopartikel untersucht. Dazu wurden via Diazoniumchemie verschiedene Funktionalitäten auf der Graphenoxid-Oberfläche eingeführt. Die Entwicklung einer wasserfreien one-pot Synthese von Gold-Eisenoxid-hetero-Nanostrukturen beschrieben wurde. Insbesondere wurden die Auswirkungen kleiner organischer Moleküle auf die Bildung der Heterostrukturen untersucht. / This thesis describes diverse approaches of chemical functionalization as a general strategy to tailor material properties depending on the target application. Particular attention was dedicated to the surface chemistry of iron oxide nanoparticles. Crystalline 10 nm-sized magnetite nanoparticles synthesized through the “benzyl alcohol route” exhibit superparamagnetic behaviour. For this reason they are regarded as suitable solid supports for the fabrication of recoverable devices, which is a fundamental requirement for several of the reported studies. Here it is demonstrated, via the fabrication of novel hybrid materials, that the ease of functionalization of iron oxide nanoparticles renders this material a versatile platform for the development of diverse surface chemistries. A covalent organic functionalization strategy was developed for the synthesis of two recoverable magnetic molecular receptors. The first targeted the recognition of drugs metabolites and biomarkers. It is based on the use of organosilanes coupling agents. A second approach aimed to the heterogeneous resolution of a racemic mixture of an inherently chiral cavitand. Graphene oxide-iron oxide composites were successfully fabricated through an ex-situ approach based on non-covalent interactions between the component phases. The effects of surface functionalities on the loading and distribution of iron oxide nanoparticles were studied by introducing selected functionalities at the graphene oxide surface through diazonium chemistry. Finally, the development of a non-aqueous one-pot synthesis route to gold-iron oxide hetero-nanostructures was described. Particular emphasis was dedicated to study the influence of small organic molecules in promoting the formation of the heterostructures.

Este projeto de mestrado teve como objetivo a obtenção de látices híbridos constituídos de poli(acetato de vinila) (PVAc) e argila montmorilonita (MMT). O homopolímero de acetato de vinila foi sintetizado através da técnica de polimerização em emulsão na presença de diferentes tipos de argila, sendo empregada uma argila sódica (Na-MMT) e três argilas modificadas (o-MMT) com diferentes sais quaternários de amônio. Poli(álcool vinílico) (PVOH) foi utilizado como colóide protetor e persulfato de amônio (APS) como iniciador. Foi estudada a melhor condição para incorporação da argila na matriz polimérica, visando a esfoliação desta nanocarga, resultando desta maneira na formação de nanocompósitos com propriedades diferenciadas. A influência da presença das argilas foi avaliada em termos da velocidade de consumo de monômero, a qual foi acompanhada por gravimetria. Os látices foram caracterizados quanto ao diâmetro médio de partícula e polidispersidade pela técnica de espalhamento de luz (LS). O teor de coágulos do látex foi calculado por análise gravimétrica e a viscosidade analisada em um viscosímetro rotacional. Os filmes nanocompósitos foram caracterizados pelas técnicas de análise dinâmico-mecânica (DMA), análise termogravimétrica (TGA) e difração de raios X (DRX). A morfologia das partículas de látex foi avaliada por microscopia eletrônica de transmissão (MET). / The goal of this project was the preparation of hybrids latexes constituted by poly(vinyl acetate) (PVAc) and montmorillonite (MMT) clays. The poly(vinyl acetate) homopolymer was synthesized via emulsion polymerization in the presence of different types of clay, one sodium clay (Na-MMT) and organically modified clays (o-MMT) with different ammonium quaternary salts. Poly(vinyl alcohol) (PVOH) was used as protective colloid and ammonium persulfate (APS) as initiator. It was evaluated the best condition for the incorporation of the clay in the polymeric matrix, looking forward the exfoliation of the nanofiller, resulting in the formation of nanocomposites with new and improved properties. The influence of clay type and loading was evaluated in terms of latex stability and monomer consumption rate. The latexes were characterized in terms of particle size diameter and polydispersity by light scattering (LS) technique. Coagulum content was determined by gravimetric analysis and viscosity was analyzed in a rotational viscometer. Nanocomposite films were characterized by dynamic-mechanical analysis (DMA), thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction (XRD). Latex particles morphology was evaluated by transmission electron microscopy (TEM).

O presente trabalho de Doutorado tem como objetivo investigar a influência de materiais lamelares prístinos e modificados e a influência de diferentes rotas sintéticas nas propriedades físico-químicas do amido termoplástico, utilizando glicerol como plastificante. Para tanto, empregou-se para a produção dos materiais híbridos uma argila sintética da família das hectoritas (Laponita RD) na forma prístina e também modificada com íons berberine e carnosina, além de um hidróxido duplo lamelar (HDL) constituído por íons Zn2+/Al3+ intercalado com carboximetilcelulose (CMC). O amido e o material lamelar foram combinados, utilizando as metodologias de casting e extrusão, nas concentrações de 2,5 e 5,0 % (m/m) de argila ou HDL com relação ao polissacarídeo. Já quantidade de plastificante empregada foi variável, dependendo da rota de preparação empregada, sendo de aproximadamente 20 % (m/m) via casting e 30 % (m/m) via extrusão com relação ao amido. Conforme mostram os difratogramas de raios X dos filmes obtidos pelo método casting, todos os filmes contendo argila em sua composição exibem um sinal largo de difração na região de baixo ângulo de 2θ, embora pouco intenso, indica a existência de certa quantidade de nanocompósito do tipo intercalado. Já para os materiais obtidos via extrusão, os sinais de difração em baixo ângulo são consideravelmente alargados e muito pouco intensos. A propriedade térmica do amido termoplástico foi piorada em todos os casos estudados nos materiais contendo argila ou HDL em sua composição. A presença de carga inorgânica na formulação dos materiais híbridos preparados não retardou o processo de decomposição não-oxidativo do amido. A presença de uma maior quantidade de glicerol nos materiais obtidos por extrusão resultou em uma antecipação ainda maior no principal evento de perda de massa, em comparação com os mesmos materiais obtidos via casting. Devido à alta característica hidrofílica do amido, materiais lamelares intercalados com espécies que possuem maior caráter hidrofílico, como a Laponita prístina (contendo apenas íons Na+) e a carnosina mostraram uma melhor dispersão pela matriz polimérica, através da análise por técnicas de microscopia. Adicionalmente, observou-se uma melhor homogeneidade de distribuição da fase lamelar na fase polimérica nos filmes obtidos por casting em comparação com os materiais obtidos por extrusão. Os resultados mecânicos de todos os materiais híbridos analisados mostram tendências pouco conclusivas com relação ao amido termoplástico. Em geral, observa-se uma melhora muito sutil na máxima resistência a tração com a presença de material lamelar na composição dos materiais testados, além de uma diminuição na elongação máxima. Da mesma forma, a permeabilidade a gases dos filmes contendo argila ou HDL em sua composição mostrou resultados pouco conclusivos com relação ao amido termoplástico, geralmente exibindo uma redução modesta na permeabilidade. A investigação do perfil de biodegradação dos materiais contendo fase lamelar em sua composição mostrou que apenas a amostra contendo Laponita modificada com carnosina obtida por extrusão foi capaz de retardar significativamente a conversão do carbono das cadeias poliméricas em CO2, com relação ao amido termoplástico. / This present Thesis aimed to investigate the influence of pristine and modified layered materials and the influence of different preparation routes on the physicochemical properties of thermoplastic starch, using glycerol as plasticizer. To reach this goal, it was used to produce hybrid materials a synthetic clay belonging to the hectorite family (Laponite RD) in both pristine form and modified with berberine and carnosine ions and also a layered double hydroxide (LDH) comprised of Zn2+/Al3+ ions intercalated with carboxymethylcellulose (CMC). Both starch and the layered material were combined using casting and extrusion methodologies, using concentrations of 2.5 and 5.0 % (w/w) of clay or LDH relative to starch. The amount of plasticizer utilized was variable, depending on the preparation route employed. It was used approximately 20 % (w/w) of glycerol on casting route and 30 % (w/w) on extrusion route relative to starch. According to X ray diffractograms of the films obtained by casting route, all hybrid films that contain clay in their composition exhibit a large diffraction signal at low 2θ angle values, albeit its low intensity, indicates the existence of a certain contribuition of a intercalated nanocomposite. On the other hand, the hybrid materials obtained through extrusion method, these low angle diffraction signals are very broad and possess very low intensity. The thermal properties of thermoplastic starch were worsened in all studied cases after combined with clay or LDH. The presence of inorganic filler on the formulation of hybrid materials does not postpone the beginning of the non-oxidative decomposition process of starch. A higher amount of glycerol on the final materials obtained through extrusion resulted in an even greater anticipation on the main mass loss event in comparison to the analogous materials obtained using casting technique. Due to the high hydrophilic nature of starch, layered materials intercalated with ionic species that show higher hydrophilicity such as pristine Laponite (containing solely Na+ ions) and carnosine exhibited better dispersion through the polymer matrix, after being analyzed with microscopic techniques. Additionaly, it was observed a higher homogeneity of distribution of the layered phase over the polymer phase on the films obtained through casting in comparison to the materials obtained through extrusion. The tensile tests of all analyzed hybrid materials show a poorly conclusive trend in comparison to thermoplastic starch. In general, it was observed a subtle improvement on the maximum tensile strength of the materials containing layered material in their composition and also a decrease in the maximum elongation. In a same trend, gas permeability of the films was poorly conclusive in comparison to thermoplastic starch, generally resulting in a subtle reduction of permeability values. The investigation of biodegradation profile of the materials containing inorganic filler show that only Laponite modified with carnosine ions was able to postpone significatively the conversion of carbon from the polymer chains to CO2 in comparison to thermoplastic starch.

O presente trabalho apresenta a síntese e a caracterização de derivados de quitosana, bem como o preparo e caracterização de filmes de nanocompósitos à base de quitosana comercial (ou seus derivados), argila (MMT) e nanopartículas de prata (NPs-Ag), obtidas via Fotoquímica. Para tanto, foram preparados, a partir da quitosana comercial (QC), os derivados: quitosana desacetilada (Q30des), quitosana purificada (QP), quitosanas parcialmente despolimerizas (QD30, QD21 e QD5), quitosanas hidrofílicas (QD21-40DEAE e QD5-49DEAE) e quitosanas anfifílicas (QD21-40DEAE-6DD, QD21-40DEAE-18DD, QD5-49DEAE-6DD e QD5-49DEAE-17DD). O grau médio de desacetilação das QC, QP e Q30des e de substituição por grupos DEAE e dodecila foram determinados por Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio (RMN de 1H). Ademais, os biopolímeros foram caracterizados por Espectroscopia no Infravermelho (FTIR-ATR), Viscosimetria, Análise Termogravimétrica e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Em seguida, foi estudada a síntese de nanopartículas de prata, sob radiação UV, em filmes de nanocompósitos de quitosana comercial ou seus derivados e argila. Em um primeiro momento, estudou-se a formação das NPs-Ag em filmes de QC com diferentes formulações e posteriormente em filmes de derivados de quitosana contendo 10% de MMT (m/m). A técnica de Difração de Raios-X (DRX) foi utilizada para a determinação do espaçamento interlamelar da argila montmorilonita pura e nos compósitos preparados. A síntese das NPs-Ag foi acompanhada por Espectrofotometria de Absorção Molecular no UV-vis, e monitorada após um ano de sua formação, sendo suas características morfológicas, bem como a dispersão da argila nos nanocompósitos examinados por Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Por fim, a atividade antimicrobiana dos filmes de nanocompósitos foi avaliada pelo método de Disco de Difusão contra as bactérias Escherichia coli e Bacillus subtilis. / The present work presents the synthesis and characterization of chitosan derivatives, as well as the preparation and characterization of nanocomposite films based on commercial chitosan (or its derivatives), clay (MMT) and silver nanoparticles (NPs-Ag) obtained by photochemical method. Therefore, were prepared from commercial chitosan (QC): deacetylated chitosan (Q30des); purified chitosan (QP); partially depolymerized chitosans (QD30, QD21 and QD5); hydrophilic chitosans (QD21-40DEAE and QD5-QD5) and amphiphilic chitosans (QD21-40DEAE-6DD, QD21-40DEAE-18DD, QD5-49DEAE-6DD and QD5-49DEAE-17DD). The deacetylation degrees of QC, QP and Q30des were determined by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1H-NMR). This technique also used to determine the degrees of substitution by DEAE and dodecyl groups. In addition, the biopolymers were characterized by Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR), Viscosimetry, Thermogravimetry and Scanning Electron Microscopy. Moreover, the NPs-Ag synthesis under UV radiation was studied on nanocomposite films of commercial chitosan or its derivatives and clay. At first, the Ag-NPs formation was studied on QC films with different formulations and secondarily, on films of chitosan derivatives containing 10 wt % of MMT. The X-Ray Diffraction (XRD) was used to determine the interlamellar spacing of pure montmorillonite clay and in the nanocomposites prepared. The synthesis of the NP-Ag was accompanied by UV-vis Spectroscopy. Its morphological characteristics, as well as the clay dispersion in the nanocomposites were examined by Electron Transmission Electron Microscopy (TEM). Finally, the antimicrobial activities of materials were investigated by the disk diffusion method against the bacteria Escherichia coli e Bacillus subtilis.

[pt] O objetivo deste trabalho foi estudar a funcionalização química de nanotubos de titanato (TTNTs) com 3-aminopropiltrietoxisilano, para uso como reforço de nanocompósitos de matriz náilon-11, com o intuito de melhorar a dispersão e compatibilidade destas nanocargas com a matriz polimérica. Foram sintetizadas duas amostras: TTNTs/H e TTNTs/L, com alto e baixo teor sódio respectivamente, funcionalizadas em uma solução etanol/água 95/5 v/v e água para avaliar o efeito do meio de reação na quantidade de silano enxertada na superfície dos TTNTs, expressa como densidade de grupos aminopropil por nm2 (NR). Os TTNTs funcionalizados foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho, análise elementar de CHN, medição da área superficial específica, termogravimetria e microscopias eletrônicas de varredura e de transmissão. Foram fabricados nanocompósitos de matriz náilon-11 por microextrusão-microinjeção, reforçados com TTNTs de partida e funcionalizados em concentrações de 0.5, 1.0 e 2.0 porcento wt. Finalmente, foram avaliadas as propriedades mecânicas, térmicas e microestruturais dos nanocompósitos. Os resultados demonstraram a formação da ligação covalente Ti-O-Si e revelaram um maior valor de NR quando o meio de reação foi etanol/água para ambos os TTNTs. Os nanocompósitos reforçados com TTNTs/H funcionalizados em água e TTNTs/L silanizados em mistura etanol/água, em uma proporção de 2 porcento wt, apresentaram um incremento no módulo de elasticidade de 11 e 13 porcento respectivamente, com um decréscimo das propriedades no escoamento e um aumento na temperatura de degradação, quando comparados com o náilon-11 puro. O nanocompósito que apresentou a melhor dispersão foi o fabricado com 0.5 porcento wt. TTNTs/L silanizados em etanol/agua. / [en] The aim of this work was to study the chemical functionalization of titanate nanotubes (TTNTs) with 3-aminopropyltriethoxysilane for application as a reinforcement of nylon-11 matrix nanocomposites in order to increase the dispersion and compatibility between nanotubes and the polymer matrix. Two samples with high and low sodium content (TTNTs/H and TTNTs/L, respectively) were functionalized in a solution of ethanol/water 95/5 v/v and water to assess the effect of the reaction medium on the amount of silane grafted on the TTNTs surface, expressed as the density of aminopropyl groups per nm2 (NR). The functionalized nanotubes were characterized by infrared spectroscopy, CHN elemental analysis, measurement of the specific surface area, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Nylon-11 matrix nanocomposites were manufactured by microextrusionmicroinjection and reinforced with 0.5, 1.0 and 2.0 wt. percent of pristine and functionalized nanotubes. Finally, mechanical and thermal properties as well as the microstructure of the nanocomposites were evaluated. The results confirmed the Ti-O-Si covalent bond and showed a higher NR value when the silanization was performed in ethanol/water for both TTNTs. The nanocomposites reinforced with 2 wt. percent of TTNTs/H (silanized in water) and with TTNTs/L (silanized in ethanol/water) presented an enhancement on the Young s modulus of 11 and 13 percent, respectively when compared with the neat nylon-11. The yield properties of these nanocomposites decreased, but the degradation temperature was improved with the incorporation of the functionalized nanotubes. The nanocomposite prepared with 0.5 wt. percent TTNTs/L silanized in ethanol/water showed the best dispersion.

Une des manières d'augmenter la stabilité thermique de polymères consiste à leur ajouter de faibles quantités d'argile dispersées dans échelle nanométrique. De tels matériaux sont appelés de « nanocomposites ». Il existe plusieurs explications à ce phénomène, comme les effets de barrière de diffusion et la formation de charbon. D’autres sont en cours de vérification, comme les effets de piégeage de radicaux par les ions qui participent à des réactions de type Fenton. Notre objectif a été de suivre in situ des transformations chimiques de la phase argile, afin de mieux comprendre comment ces nanostructures lamellaires retardent la décomposition de polymères. Pour ce faire, trois types de nanocomposites ont été préparés: i) Poly(méthylméthacrylate)-co-Poly(trimetoxysilil propyl méthacrylate) et argiles montmorillonite (MMT) du type Cloisite (PMMA-co-PTMSM-Cloisite); ii) PMMA-argiles montmorillonites naturelles contenant différents taux d’ions Fe3+ dans les couches octaédrique (PMMA-MMT); iii) PMMA-hydroxydes doubles lamellaires (HDL), avec différentes proportions d’ ions Zn2+ , Cu2+ et Fe3+ PMMA-HDL. La thermo-décomposition des argiles primitives et de leurs nanocomposites ont été suivies par des analyses thermiques, de diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) et par spectroscopie d'absorption de rayons X (EXAFS). Les effets de l'atmosphère, de la composition chimique des lamelles, et de la quantité d'argile employée dans l'obtention des nanocomposites ont été évalués. L'étude des nanocomposites, PMMA-co-PTMSM-Cloisite a mis en évidence deux mécanismes de stabilisation. Elle a montré que l'addition d’argiles résulte en une stabilisation plus importante sous atmosphère d'air, que sous atmosphère de N2, et est aussi plus importante selon la quantité d'argile dispersée dans le polymère. La formation de charbon a aussi été observée seulement sous l'atmosphère d'air. La stabilité thermique des nanocomposites PMMA-MMT est aussi proportionnelle à la quantité d'argile employée dans l'obtention de la nanocomposite. Pour de faibles quantités d’argile, 0.3-1 % en masse, la stabilité thermique des nanocomposites est proportionnelle à la quantité de ions Fe3+ présents dans l'argile. Le suivi de l'environnement chimique des ions Fe3+ par EXAFS en fonction de la température, a montré que quand la phase argile est dispersée dans le PMMA, les ions Fe3+ sont réduits à Fe2+, ce qui ne se vérifie dans les phases primitives. Ces mécanismes de stabilisation indiquent que la phase argile stabilise le PMMA par des mécanismes de barrière de diffusion et par le piégeage des radicaux. Les nanocomposites PMMA-HDL contenant des ions Fe3+ sont plus stables que ceux qui contiennent des ions Cu2+. L’étude in situ de 'évolution de l'ordre local à moyenne distance en fonction de la température a montré que les phases HDL stabilisent le PMMA également par les mécanismes de barrière de diffusion et le piégeage de radicaux. L’ion Cu2+, induisant des distorsions dans l'ordre local, rend les lamelles moins stables : elles se décomposent à des températures inférieures, et l'effet de barrière de diffusion est alors réduit. Par contre, les ions Cu2+ et Fe3+ piègent des radicaux de la phase polymérique qui se décomposent et ralentissent le phénomène. Cette thèse démontre que les argiles peuvent agir comme des particules réactives ou inertes, c'est-à-dire, à travers des réactions chimiques avec le polymère ou comme barrière physique. La stabilisation thermique des polymères dépend d’une combinaison de mécanismes, parmi eux la barrière de diffusion, la formation de charbon et le piégeage de radicaux. / One way to increase thermal stability of polymers consists by mixing them with a few amount of clays (< 1 % w/w), spread at a nanometric scale. Such materials are called ‘nanocomposites’. Many explanations of the phenomenon have been given, as diffusion barrier effects, the formation of char. Others being checked, as the effects of radical trapping by the ions involved in Fenton-type reactions. In this work, the main objective was to follow in situ the chemical transformations of the clay phase, in order to better understand how these lamellar nanostructures retard the polymer decomposition. Three types of nanocomposites were prepared : i) Poly(methyl methacrylate)-co-Poly(trimetoxysilil propylmethacrylate) and montmorillonite clay (MMT) type Cloisite (PMMA-co-PTMSM-Cloisite); ii) natural PMMA-montmorillonites clay with different proportion of ions Fe3+ in octahedral layers (PMMA-MMT); iii) PMMA- double-layered hydroxides (HDL), with different rate of ions Zn2+, Cu2+ and Fe3+ PMMA-HDL. The thermal decomposition of primitive clay and of its respective nanocomposites were followed by thermal analysis, X-ray scattering (SAXS and WAXS) and X-ray absorption spectroscopy (EXAFS). The effects of atmosphere, the chemical decomposition of layers and the clay amount employed to obtain the nanocomposites were evaluated. The study of nanocomposites, PMMA-co-PTMSM-Cloisite showed that the addition of clay, under air, results in a greater stabilization than under N2 atmosphere, which is also higher according to the amount of clay spread in the polymer. The formation of char has been observed only under air atmosphere. It highlighted two stabilization mechanism: char formation and diffusion barrier. The thermal stability of nanocomposites PMMA-MMT is also proportional to the amount of clay used in obtaining the nanocomposite. For small amount of clay, 0,3 – 1wt%, the thermal stability of nanocomposites is proportional to the quantity of ions Fe3+ in the clay. The monitoring of the chemical environment of the ions Fe3+ by EXAFS in function of the temperature showed that, when the inorganic phase is spread in the PMMA, the ions Fe3+ are reduced to Fe2+. This was not verified in the pristine phases. The stabilization mechanisms revealed in this study, indicate that the clay phase stabilizes the PMMA by diffusion barrier mechanisms and radical trapping. The nanocomposites PMMA-HDL with ions Fe3+ are more stable than those containing ions Cu2+. The in situ study of the evolution of the local order at middle-range distance in function of temperature showed that the HDL phases stabilize also the PMMA by diffusion barrier mechanisms and the radical trapping. The ion Cu2+ , leading to distortions at the local order, makes layers less stable; they decompose at lower temperature and the diffusion barrier effect is then reduced. On the other hand, the ions Cu2+ and Fe3+ trap radicals in the polymer phase which breaks down and slow the phenomenon. This PhD work demonstrates that clay can act as reactive or inert particles, i.e. through chemical reaction with the polymer or as physical barrier. The thermal stabilization of polymers relies on a mechanism combination; whom the diffusion barrier, the char formation and the radical trapping.

Nos últimos anos, a incorporação de partículas inorgânicas em uma matriz polimérica com a finalidade de se obter sistemas híbridos orgânico/inorgânico utilizando diferentes técnicas de polimerização tem recebido grande atenção. Neste sentido, preservar e controlar as propriedades físico-químicas das partículas inorgânicas torna-se essencial para manter a integridade destas em nanoescala, bem como para obtenção de dispersões uniformes, magnificando os efeitos de reforço e demais ganhos de propriedades desejadas para a matriz polimérica. Quando se utiliza partículas inorgânicas anisotrópicas tais como a montmorilonita, silicato lamelar mais utilizado para obtenção de nanocompósitos do tipo polímero/silicato lamelar, este controle apresenta-se como um problema particularmente desafiador. Nesse contexto, a polimerização radicalar controlada (PRC) vem se destacando como uma importante via para atingir os objetivos mencionados acima, encontrando-se na literatura diversas estratégias de síntese em meio a solventes orgânicos na qual a efetiva nanoencapsulação de partículas inorgânicas dá-se por meio do crescimento de cadeias poliméricas na superfície destas estruturas inorgânicas. Entretanto, poucos trabalhos são encontrados envolvendo rota de obtenção semelhante em meio aquoso, tais como suspensão, emulsão e miniemulsão, processos estes que possuem grande interesse industrial, ambiental e viabilidade real de ampliação de escala quanto à produção.Desta forma, o objetivo deste projeto de pesquisa concentra-se na síntese e na caracterização de nanocompósitos do tipo polímero/silicato lamelar via polimerização radicalar controlada em emulsão. As polimerizações radicalares controladas de estireno em emulsão, via mecanismo de transferência reversível de cadeia por adição-fragmentação (RAFT), foram conduzidas na presença de argila montmorilonita (MMT) e mediadas por dois macroagentes de transferência de cadeia com grupo funcional tri-tioéster, sendo o primeiro constituído de cadeia polimérica não iônica de monoetil éter de poli(etilenoglicol) (MPEG-CPP) e outro derivado do MPEG-CPP contendo adicionalmente um bloco ionizável de poli(ácido metacrílico) incorporado à cadeia polimérica (MPEG-b-PMAA-CPP). Foram avaliados inicialmente os parâmetros de adsorção dos macroagentes MPEG-CPP e MPEG-b-PMAA-CPP na superfície da MMT bem como a influência das variáveis do processo de polimerização na adsorção dos macroagentes na MMT e na estabilidade coloidal dos complexos macroagente RAFT / MMT formados. Posteriormente foram avaliados os efeitos do pH, das concentrações dos macroagente RAFT e de MMT, bem como do tipo de iniciador na cinética de polimerização em emulsão \"ab-initio\" de estireno, conduzidas na ausência de surfatantes. As técnicas utilizadas nos estudos de adsorção e para a caracterização das argilas, dos látices híbridos e dos materiais nanocompósitos incluem: espectroscopia de UV-vis, espalhamento dinâmico de luz (DLS), espalhamento eletroforético de luz (ELS), cromatografia de permeação em gel (GPC), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). / In recent years, the incorporation of inorganic particles in a polymer matrix in order to obtain hybrid organic/inorganic systems using different polymerization techniques have received great attention. In this sense, preserve and manage the physical and chemical properties of inorganic particles is essential to maintain its integrity at the nanoscale, as well as to obtain uniform dispersions of them, magnifying the effects of reinforcement and other desired properties into the polymer matrix. When using anisotropic inorganic nanoobjects such as montmorillonite, the most used layered silicate to obtain polymer / layered silicate nanocomposites, this control is presented as a particularly challenging problem. In this context, the controlled radical polymerization (CRP) has been highlighted as an important way to achieve the goals mentioned above, several strategies of organic solvent-borne synthesis can be found in literature in which the effective nanoencapsulation of inorganic particles is given by through the growth of polymer chains on the surface of these inorganic structures. However, few works are found involving obtaining similar route in water-borne, such as suspension, emulsion, miniemulsion, these procedures have great interest in industrial, environmental and actual feasibility of expanding scale in manufacture. Thus, the objective of this research project focuses on the synthesis and characterization of nanocomposite-type polymer / layered silicate via controlled radical polymerization in emulsion media. The controlled radical polymerizations in emulsion, via transfer mechanism for the reversible addition-fragmentation chain (RAFT) have been conducted in the presence of montmorillonite clay (MMT) and mediated by two macroRAFT agents with functional tri-thioesters groups, being the first one constituted by a nonionic poly(ethylene glycol) methyl ether polymeric chain (MPEG-CPP) and the second on being MPEG-CPP derived but containing additionally an ionizable block of poly(methacrylic acid) inserted to its polymeric chain. The parameters of adsorption of MPEG-CPP and MPEG-b-PMAA-CPP agent on the surface of MMT as well as the influence of the polymerization process variables on the adsorption of PEO-RAFT in MMT and colloidal stability of the complex formed macroRAFT agents / MMT were firstly evaluated. Subsequently, the influence of pH, macroRAFT agents and MMT concentrations as well as the type of initiator on the kinetics of RAFT emulsion polymerization were equally evaluated. The techniques used the for adsorption studies and characterization of clays, latexes of hybrid materials and nanocomposites include: UV-vis spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), electrophoretic light scattering (ELS), gel permeation chromatography (GPC), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic scanning calorimetry (DSC) and transmission electron microscopy (TEM).

Devido à preocupação com o meio ambiente e o volume crescente de resíduos plástico em aterros sanitários, os polímeros biodegradáveis estão sendo estudados extensivamente. Um deles é o PLA. Apesar de possuir propriedades comparáveis a polímeros commodities e polímeros de engenharia, ainda é necessário melhorar certas características do PLA, como resistência ao impacto. Para isso, a nanocelulose (NC) pode ser usada sem alterações significativas na biodegradação polimérica. Este estudo teve como objetivo obter a nanocelulose, caracteriza-la e incorpora-la ao poli(ácido láctico) (PLA), assim como, estudar as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do compósito obtido. A NC foi obtida por hidrólise ácida utilizando ácido fosfórico e posteriormente foi silanizada com três silanos distintos. As nanopartículas foram caracterizadas por Birrefringência, Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Termogravimetria (TG), Potencial Zeta, Espectroscopia Vibracional de Absorção no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Difração de Raio X (DRX). Com as imagens obtidas pelo MET foi possível medir o tamanho das partículas de NC. E então obter a razão de aspecto de 82 e o limite de percolação de 1,1% em massa, confirmando a morfologia de nanofibra. De acordo as analises TG\'s, a presença de NC silanizada aumentou o início da degradação térmica. Os compósitos, contendo 3% em massa de NC, foram obtidos por fusão em câmara de mistura e moldados por injeção. Os compósitos foram caracterizados por FTIR, Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), TG, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-FEG), Impacto e Tração. As análises dos compósitos mostraram que a NC atuou como agente de nucleação, facilitando a cristalização do PLA, além de a NC ter atuado como reforço na matriz polimérica melhorando as propriedades mecânicas. / Due to concern for the environment and the growing volume of plastic waste in landfills, biodegradable polymers are being studied extensively. One of them is the PLA. Despite properties comparable to commodities polymers and engineering polymers, it is still necessary to improve certain characteristics of PLA, such as impact resistance. For this, the nanocelulose (CN) can be used without significant changes on the polymeric biodegradation. This study aimed to obtain nanocelulose, characterizes it and incorporates it to polylactic acid (PLA), even as, studies of thermal, morphological and mechanical properties of the composites processed. The CN was obtained by acid hydrolysis using phosphoric acid and it was, subsequently, silanized with three different silanes. The nanoparticles were characterized by Birefringence, Transmission Electron Microscopy (TEM), Thermogravimetry (TG), Zeta Potential, Spectroscopy Absorption Vibrational Infrared Fourier Transform (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD). By images taken by TEM was possible to measure the size of particles CN. So, obtain the aspect ratio of 82 and the percolation limit of 1.1 wt%, demonstrating morphology of nanofiber. According to TG analysis, the beginning of thermal degradation increased when CN Pure was compared with modified CN. The composite, containing 3 wt% CN, were obtained by melt in mixing chamber and then injection molded. The composites were characterized by FTIR, Gel Permeation Chromatography (GPC), TG, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), Impact and Tensile Strength. The results showed that the CN acts as a nucleating agent in PLA, facilitating the crystallization and acts as reinforcement in polymer matrix to improve the mechanical properties.