La réactivité chimique du bois traité thermiquement a été étudié vis à vis de différents réactifs tels que des anhydrides d’acides et des isocyanates. Les résultats obtenus indiquent une forte diminution de la réactivité du bois traité thermiquement comparativement au bois non traité. Cette baisse de réactivité s’explique par une dégradation importante des hémicelluloses lors du traitement thermique conduisant à une diminution de la quantité de groupements hydroxyle libres susceptibles de réagir avec les réactifs utilisés. Suite à cette étude, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de la spectroscopie XPS pour suivre l’évolution de la composition chimique du bois au cours du traitement thermique. Utilisée dans le cas d’éprouvettes de hêtre traitées thermiquement ou non, cette technique a permis de mettre en évidence une forte diminution du rapport O/C traduisant la formation de produits de carbonisation à l’intérieur du bois. Appliquée à des résineux comme le pin ou l’épicéa, la spectroscopie XPS n’a pas permis d’obtenir des résultats exploitables du fait de problèmes liés à la migration des extractibles lipophiles à la surface des échantillons durant l’analyse. La formation de produits de carbonisation résultant de la dégradation des polysaccharides a par la suite été confirmée par analyses chimiques et par RMN du solide. L’évolution du taux de carbonisation du bois a finalement été évalué par analyse élémentaire en fonction de différentes conditions de traitement. L’étude de la composition centésimale du bois met en évidence une forte corrélation entre l’évolution des pourcentages de carbone et d’oxygène et la perte de masse causée par les réactions de thermodégradation lors du traitement. / The chemical reactivity of heat treated wood was studied using various reagents such as acid anhydrides and isocyanates. The results indicate an important decrease of the reactivity of heat treated wood compared to untreated one. This decrease of reactivity is explained by an important degradation of hemicelluloses during the heat treatment leading to a reduction in the quantity of free hydroxyl groups able to react with the reagents used. Evolution of the chemical composition of wood during the heat treatment was then investigated using XPS spectroscopy. This method indicated an important decrease of O/C ratio of heat treated beech wood attributed to the formation of carbonization products inside the wood structure. Applied to softwood species, like the pine or the spruce, XPS spectroscopy do not allow to obtain useable results because of the migration of lipophilic extractives on the surface of the samples during the analysis. The formation of carbonization products resulting from the degradation of polysaccharides was confirmed by chemical analyses and CP/MAS 13C NMR. Formation of carbonization products was finally investigated by micro-analysis on samples subjected to different heat treatment conditions. Centesimal composition of wood highlight a strong correlation between the evolution of the carbon and oxygen percentages and the loss of mass caused by the reactions of thermodegradation during the treatment.

The performance of polymeric diphenylmethane diisocyanate (PMDI) resin is known to be highly dependent on the wood species. This species dependence may be due to differences in: cure chemistry, interphase morphology, or both of these factors. This study addresses aspects of the cure chemistry and interphase morphology of wood/PMDI bondlines; specifically these effects are compared using two woods: yellow-poplar and southern pine. In this study, the cure chemistry of wood-PMDI system was analyzed with solid state NMR (SSNMR) using wood samples cured with doubly labeled (15N,13C) PMDI resin. The kinetics of PMDI cure in the presence of wood was analyzed with differential scanning calorimetry. Thermogravimetric analysis was used to analyze the effect of resin impregnation on the degradation patterns of wood. The wood-PMDI bond morphology was probed with dynamic and static (creep) mechanical analyses in both dry and plasticized conditions. The effect of resin on wood polymer relaxations was quantitatively analyzed by both the time-temperature superposition principle and the Kohlrausch-Williams-Watts equation. The presence of a small but statistically significant species effect was observed on both the cure chemistry and bond morphology of wood-PMDI system at low cure temperatures. The cure of PMDI resin was found to be significantly faster in pine relative to corresponding poplar samples. Resin impregnation showed a significant species dependent effect on the wood mechanical properties; the resinated pine samples showed increase in compliance while the corresponding poplar samples became stiffer. The in situ lignin relaxation was studied with both dynamic and static modes, using plasticized wood samples. Results showed that the lignin relaxation was slightly affected by resin impregnation in both woods, but the effect was relatively larger in pine. Static experiments of dry wood samples showed a significant reduction in the interchain interactions of wood polymers in pine samples, exclusively. Investigation of plasticized pine samples, which focuses on the in situ lignin relaxations, showed only minor changes with resin impregnation. This led us to hypothesize that the large changes observed in dry samples, were due to the in situ amorphous polysaccharides. The wood-PMDI interactions were significantly reduced upon acetylation of wood. This study also discusses three new and highly sensitive methods for the analysis of wood-resin interactions. / Ph. D.

Die Arbeit beschreibt neuartige Isocyanat- und Initiierungsreaktionen von speziellen Basen mit dem Imin-Strukturinkrement. Gegenstand des ersten Teils ist die Synthese und Charakterisierung neuer Imidazolin-Isocyanat-Adduksysteme, welche genutzt werden um organische Netzwerke auf der Basis von 1-Ethylimidazolin und diversen Diisocyanaten aufzubauen. Ferner wurden die unterschiedlichen Adduktsysteme hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit als blockierte Isocyanate untersucht. Hierzu wurden thermische Analysen wie DSC- und TG-MS-Messungen durchgeführt. Durch experimentelle Ergebnisse und quantenchemische Rechnungen konnte ein neuartiger Reaktionsmechanismus einer Adduktbildung gefunden werden. Die Imidazolin-Isocyanat-Adduktnetzwerke wurden als Macroinitiatoren für die radikalische Polymerisation von Methylmethacrylat (MMA) verwendet, wodurch Adduktnetzwerk-PMMA-Kompositmaterialien erhalten wurden. Gegenstand des zweiten Teils dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Initiatorsystems für die radikalische Polymerisation von MMA und Styrol, auf der Grundlage der Iminbase-(Meth-)Acrylat-induzierten Polymerisation (IBA-Polymerisation). Hierzu wurden unterschiedlich substituierte Isoxazolone synthetisiert und als Starter für die Polymerisation eingesetzt. Der radikalische Charakter der Polymerisation wurde mittels Copolymerisationsexperimenten belegt.:Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung und Zielsetzung 1.1. Einleitung 1.2. Zielsetzung und Motivation 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Isocyanat-Imidazolin-Adduktsysteme als blockierte Isocyanate 2.1.1. Blockierte Isocyanate 2.1.2. Iminbasen-Isocyanat-Addukte 2.2. Radikalische Polymerisation 2.2.2. Autoinitiierung von Styrol und Methylmethacrylat 2.2.3. Definition der IBA- und IBI-Polymerisation 3. Ergebnisse und Diskussion 3.1. Isocyanat-Imidazolin-Adduktsysteme als blockierte Isocyanate 3.1.1. 3 : 1-Isocyanat-Imidazolin-Addukte basierend auf 1-Ethylimidazolin 3.1.2. Organische Netzwerke basierend auf 3 : 1-Isocyanat-Imidazolin-Addukten 3.1.3. 2 : 1-Isocyanat-Imidazolin-Addukte basierend auf 1-Ethyl-2-iso-propyl-imidazolin 3.1.4. 2 : 1-Isocyanat-Imidazolin-Addukte basierend auf 1-Ethyl-2-methyl-imidazolin 3.2. IBA-Polymerisation mittels Isoxazolonen 3.2.1. Tautormerie und thermische Analysen von Isoxazolonderivaten 3.2.2. Polymerisation von Acrylatmonomeren mit Isoxazolonen 3.2.3. Kinetik der IBA-Polymerisation mit Isoxazolonen 3.2.4. IBA-Polymerisation von Styrol mit 3-Phenyl-5-isoxazolon 3.2.5. Mechanistische Studien der IBA-Polymerisation initiiert durch Isoxazolone 4. Zusammenfassung und Ausblick 5. Experimenteller Teil 5.1. Geräte und Chemikalien 5.2. Synthese der Iminbasen 5.3. Synthese der Iminbase–Isocyanat–Addukte 5.4. Synthese der 3 : 1 Adduktnetzwerke 5.5. Synthese von Isoxazolonderivaten 5.6. Polymerisationen von MMA und Styrol mit Isoxazolonen 6. Literatur 7. Anhang Danksagung Lebenslauf Liste an Veröffentlichungen Selbstständigkeitserklärung

Les glaces interstellaires sont composées de CO, H2O, NH3, .... Soumis à un flux lumineux émanant des étoiles (λ > 120 nm) ces glaces peuvent évoluer vers la formation de molécules plus complexes. Parmi celles-ci, on trouve l'acide isocyanique (HNCO) dont nous avons étudié la réactivité avec des glaces de H2O, de NH3, de NH3/H2O. Nous avons montré qu'il pouvait être à l'origine de la formation de l'ion OCN-. Cet ion peut être caractérisé sur les spectres ISO de sources protostellaires, par sa bande dite "XCN" à 4,62 μm (2167 cm-1). Une production spontanée de l'ion OCN- cohérente avec le domaine de température (10 - 100 K) dans lequel évoluent ces glaces, se produit entre HNCO et NH3 en excès codéposés à 10 K. Un sel analogue à NH4+OCN- est formé au-delà de 160 K. Des calculs quantiques ont montré que la solvatation d'une molécule de NH3 directement liée à HNCO par trois autres molécules de NH3, joue un rôle important dans le processus de formation de NH4+ et OCN- et confirment le caractère spontané de cette réaction. L'irradiation UV (λ > 120 nm) de HNCO solide a conduit à la formation de OCN- mais aussi de composés carbonylés tels que le formaldéhyde, le formamide, et l'urée. La comparaison du spectre des photoproduits primaires avec le spectre ISO des glaces NGC7538 IRS9 ou W33A, permet de donner une tentative d'attribution pour les bandes situées à 1700 cm-1 et 1470 cm-1.

De nouveaux polyuréthanes ont été synthétisés sans isocyanate et en intégrant des synthons biosourcés afin de développer des matériaux innovants et performants pour des applications dans le domaine de l’industrie automobile et du bâtiment. À l’issue d’un état de l’art, divers synthons et différentes stratégies ont été retenus afin d’obtenir de nouvelles architectures (macro)moléculaires et conférer aux matériaux finaux les propriétés physico-chimiques recherchées. Dans un premier temps, la réaction entre un biscyclocarbonate issu d’une molécule modèle, l’acide sébacique, et des diamines dimériques ainsi que plusieurs paramètres réactionnels ont été étudiés. Cette première étude a permis de montrer l’intérêt du ratio entre les monomères ainsi que l’influence de la fonctionnalité des diamines sur les propriétés chimiques, thermiques, rhéologiques et mécaniques des matériaux polyuréthanes sans isocyanate. Cette approche a permis dans un second temps de synthétiser des matériaux pouvant être entièrement biosourcés et de comparer leurs propriétés à celles des polyuréthanes conventionnels. Les performances de certains des matériaux thermodurcissables obtenus ont confirmé l’intérêt de cette stratégie pour les applications visées. Enfin, une troisième approche a été consacrée à la synthèse de polyuréthanes sans isocyanate thermoplastiques via la synthèse de prépolymères. Les différentes études ont montré l’importance de la structure des divers synthons sur l’organisation macromoléculaire, et ainsi sur les propriétés des matériaux finaux. / Novative and performant polyurethane materials without isocyanate were synthesized using biobased molecules for applications in automotive and building industries. After a state of the art, different building blocks were selected and various strategies were established to develop new (macro)molecular architectures. First, reactions between a biscyclocarbonate from a model structure and dimer diamines were studied as well as the impact of various reaction parameters. Secondly, this approach was adapted to fully biobased materials. The properties of these nonisocyanate polyurethanes were compared with those of conventional ones. The influence of the monomer structures on the final materials was also demonstrated. The performance of some thermoset materials have confirmed the importance of the chosen strategies for the desired applications. Finally, a third approach was dedicated to the synthesis of thermoplastic nonisocyanate polyurethanes via a prepolymer synthesis. The various studies have revealed the specific impact of the building block structure on the macromolecular organization, and thus on the properties of the final materials.

La poudre de polyuréthane à base de déchets de mousse de polyuréthane a des capacités de liant classique sous certaines conditions. Ceci est très intéressant du point de vue écologique car cela permet de rallonger le cycle de vie du polyuréthane et d’économiser le premier substituant de la colle classique qui est produit à partir de 100% de matière première. Le but de cette étude était d’améliorer l’application de la poudre de polyuréthane, comme substituant de la colle pMDI, dans la production des panneaux OSB. Une importante partie de ce travail était de mieux comprendre la réactivation de la poudre de polyuréthane et les conditions nécessaires pour que la poudre puisse fonctionner de façon optimale. Des résultats de recherche ont montré que l’uréthane est dégradé à une température de 165°C en groupements d’isocyanate et de polyols. La formation d’isocyanate à pu être démontrée par plusieurs méthodes. Le savoir a été généré dans des laboratoires et confirmé avec des essais pratiques sur des lignes industrielles. Un des objectifs principaux de ce travail était de baisser la température de décomposition de la poudre de polyuréthane à un niveau suffisamment bas pour que la poudre puisse être utilisée non seulement dans les couches externes mais aussi dans la couche médiane du panneau. Dans la première phase de ce travail la poudre de polyuréthane sans additifs a été analysée. Ensuite une sélection entre différents catalyseurs utilisés dans la production de mousse de polyuréthane a été effectuée. Pour pouvoir quantifier la capacité du catalyseur une machine permettant de produire des disques à base de polyuréthane pur a été développée. Cette machine a fourni la base pour pouvoir sélectionner le catalyseur le plus performant. Ainsi cette machine donne à l’entreprise Mobius Technologies une très bonne et simple solution pour déterminer les propriétés de la poudre de polyuréthane traitée ou non traitée et pour en déterminer la qualité. Enfin, les résultats de la recherche ont pu être mis en application à l’échelle industrielle sur des lignes industrielles d’OSB chez les entreprises Kronoply, Kronofrance et chez un producteur d’outre-mer qui reste anonyme dans ce document pour des raisons de discrétion liée à l’entreprise Mobius Technologies. Il a été possible de baisser la température de décomposition de la poudre jusqu’à 147°C, grâce au catalyseur employé. L’objectif de 120°C comme température de décomposition n’a donc pas été atteint / The polyurethane powder based on recycled material or polyurethane slab stocks shows bonding properties under certain circumstances. This is interesting from the ecological point of view, because the product life cycle of the polyurethane is prolonged. In addition to that the powder can be used as substitute for standard adhesives which are produced on 100% non renewable recourses. The goal of this project was the improvement of the application of polyurethane powder, as substitute of pMDI-adhesives, which are used in the production of OSB boards. One mayor aspect of the study was the understanding of the reactivation of the polyurethane powder and to find out the conditions for an optimized use of the powder. The results of the research demonstrated that at the degradation temperature of about 165°C the urethane bond is decomposed in to isocyanates and polyols, which is already well known in polyurethane chemistry. The reverse reaction to polyurethanes could be proved by several methods. This was than in lab scale and also under industrial conditions. The main objective of the present study was to lower the activation temperature of the polyurethane powder as pMDI adhesive substitute in the core and the surface layer of wood based panels. In the start-up phase the polyurethane powder was used an analysed without any additives. Later on a selection of different typical polyurethane catalysts were used. To quantify the efficiency of different catalysts a special machine was constructed. This new developed machine provided us with the results to select the most performing catalyst. In addition this machine was used as an easy and efficient quality control tool of Mobius Technologies. The results were used to apply the polyurethane powder on industrial production units of Kronoply (Germany), Kronofrance (France) and unstated OSB-producer in overseas. It was possible to lower the activation temperature by the use of a catalyst to about 147°C. The ambitious intent to reach a temperature of 120°C was not achieved

The temperature profile needed to complete the reaction between the sodium-diamine complex and the isocyanate terminated prepolymer has been established. The sodium diamine complex has the advantage of blocking the nearly instantaneous reaction between the diamine and isocyanate from taking place until it is released at elevated temperatures. Because of its low melting temperature (~40 °C) and its low molecular weight (low viscosity), this chain extension reaction is not dependent on the participation of the prepolymer. Instead, the rate of reaction is dependent on the dissolution of the 4,4’-methylenedianiline (MDA) complex into the system. The dissolution of the MDA complex has been demonstrated to be strongly dependent on particle size. Both the plasticizer Bis(2-ethylhexyl) adipate and the quaternary ammonium compound found in soy lecithin play crucial roles for this reaction. The quaternary ammonium compound is crucial in the dissolution of the complexes. Although the plasticizer has been shown to dissolve the complex to a small extent, the principal role of the plasticizer is to disperse the complexes and to prevent their agglomeration. Other additives such as Dimethyl Sulfoxide (DMSO) have demonstrated to be highly efficient in dissolving the complex. However its effectiveness limits the mixing window needed before reaction take place, resulting in a disadvantage.

Isocyanate sind wichtige Zwischenstufen bei der Herstellung zahlreicher Alltagsprodukte, von Matratzen über Lacke und Beschichtungen bis hin zu Kosmetika. Die industrielle Herstellung erfolgt mit Hilfe des reaktiven und giftigen Gases Phosgen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird ein vierstufiger Prozess zur phosgenfreien Synthese von Isocyanaten untersucht. Ausgehend von Aminen werden N-Silylamine erzeugt, die im Anschluss mit CO2 zur Reaktion gebracht werden. Dabei bilden sich O-Silylcarbamate, die bereits die NCO-Einheit der Isocyanate tragen. Durch eine N-Silylierung werden N,O-Bis(silyl)carbamate gebildet. Die Stoffklassen der silylierten Carbamate werden durch diese Dissertation um mehrere, bislang unbekannte Vertreter erweitert. Die anschließende thermische Zersetzung liefert erfolgreich die gewünschten Isocyanate. Als Spaltprodukt bildet sich das ungiftige, inerte Hexamethyldisiloxan. Mit diesem patentierten Verfahren gelingt es, CO2 als Kohlenstoff- und Sauerstoffquelle in industriell wichtige Monoisocyanate zu überführen. Die Anwendung auf Diisocyanate wird beleuchtet und erzeugt Potenzial für fortführende Arbeiten.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

<p>This thesis presents methods for air sampling and determination of isocyanates, amines, aminoisocyanates and anhydrides. These organic compounds are generated during thermal degradation of polymers such as polyurethane (PUR) or epoxy.</p><p>Isocyanates, amines and anhydrides are airway irritants known to cause occupational asthma. Some of the compounds are listed as human carcinogens. Many workers are exposed.</p><p>Isocyanates and anhydrides are reactive and needs to be immediately derivatized during sampling. Methods have been developed for determination of airborne isocyanates, aminoisocyanates and anhydrides using di-n-butylamine (DBA) as reagent to form stabile urea derivatives or amide derivatives. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) enabled detection limits as low as 10 attomoles. A nitrogen-selective LC-detector enabled quantification of DBA-derivatives in reference solutions. </p><p>A novel sampler is presented. The sampler consists of a denuder in series with a three-stage cascade impactor and an end filter. The sampler made it possible to reveal the distribution of isocyanates between gas and different particle size fractions. During thermal degradation of PUR, isocyanates were associated to particle size fractions (<1 µm) that may penetrate to the lower airways. The distribution during 8 minutes changes noticeably. Aromatic isocyanates become associated to small particles (<1 µm). As a reference method, air-sampling was performed using an impinger filled with di-n-butylamine (DBA) in toluene, connected in series with a glass fiber filter. There was a good agreement between the denuder-impactor sampler and the reference method.</p>