Acrylic free radical polymerization at high temperature proceeds via a complex set of mechanisms, with many rate coefficients poorly known and difficult to determine experimentally. This problem is compounded by the large number of monomers used in industry to produce coatings and other materials. Thus, there is a strong incentive to develop a methodology to estimate rate coefficients for these systems. This study explores the application of computational chemistry to estimate radical addition rate coefficients for the copolymerization of acrylates, methacrylates and styrene. The software package Gaussian is used to calculate heats of reaction (ΔHr) values for monomer additions to monomeric and dimeric radicals, using minimum energy structures identified and characterized for the reactants and products. The Evans-Polanyi relationship is applied to estimate reactivity ratios from the relative differences in ΔHr. The validity of this methodology is tested through a comparison of calculated monomer and radical reactivity ratios for acrylate, methacrylate, vinyl acetate, ethene and styrene systems to available experimental data for copolymerization systems. The methodology is found to work for some systems while there is computational breakdown in others due to steric crowding and/or breakdown of the Evans-Polanyi relationship. / Thesis (Ph.D, Chemical Engineering) -- Queen's University, 2008-04-25 16:13:12.091 / NSERC

Poly (glycerol-sebacate) (PGS) is a synthetic bioelastomer with a covalently crosslinked, three-dimensional network of random coils with hydroxyl groups attached to its backbone. This biodegradable polymer is biocompatible (in vitro and in vivo), tough, elastic, inexpensive, and flexible, and finds potential applications in tissue engineering and regenerative medicine. Due to the slow rate of step-growth polymerisation, the synthesis of PGS prepolymer requires 24-48 h. A batch and a continuous process, if developed, could address the inherent deficiencies (eg. long residence time, venting) associated with the large-scale synthesis of such bioelastomers. However, in order to assess whether this particular system may be adapted to continuous processes, such as reactive extrusion, studies on kinetics of controlled condensation reactions are of vital importance. FT-Raman spectroscopy was used to study the kinetics of the step-growth reactions between glycerol (G) and sebacic acid (SA) at three molar ratios (G:SA= 0.6,0.8,1.0) and three temperatures (120, 130, 140 ˚C). The rate curves followed first-order kinetics with respect to sebacic acid concentration in the kinetics regime. An increase in the molar ratio (G : SA) of the reactants decreased the average functionality of the system and the crosslinking density, resulting in the lowering of the activation energy and pre-exponential factor. The average functionality of the system had a profound effect on the crosslinking density, mechanical properties, and the reaction kinetics of the system. Three different PGS oligomers and films (PGS 0.6, PGS 0.8, PGS 1.0) were thoroughly characterised using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), wide angle X-ray scattering (WAXS), differential scanning calorimetry (DSC), and contact angle measurements. FTIR spectra of PGS oligomers confirmed the formation of ester bonds (1740 cm -1). Quantification of various functional groups in PGS films using XPS was in agreement with the theoretical values of the proposed structure. WAXS results indicated that PGS system with a higher average functionality possesses a higher degree of crystallinity. Crystallisation exotherms and melting endotherms of PGS systems revealed that the average functionality influences the density of crosslinking, degree of crystallinity, and the network structure of bioelastomers. Contact angle studies confirmed that an increase in the average functionality of PGS system increases hydrophilicity, and the surface treatment through aminolysis further increases the hydrophilicity of the films. Batch studies were performed on a Brabender Plasticorder®. The samples collected over a reaction period of 5 h were characterised using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential scanning calorimetry (DSC). The number-average molecular weight (Mn) and the weight-average molecular weight (Mw) of the oligoesters were determined using matrix-assisted laser desroption/ionization time-of-flight spectroscopy (MALDI-TOF) and compared with the corresponding values from the benchtop synthesis. It was found that due to higher shear-mixing and better orientation of functional groups, the degree of polymerisation at any stage of the reaction was higher in the Brabender than in the benchtop process. The gel-point of the reaction was determined from the crossover point of storage and loss moduli, and the reaction rate constant was calculated using the torque vs time data of the rheometer. The kinetics rate constant and the extent of the reaction in the Brabender were found to be higher than the corresponding values obtained from the conventional benchtop process by a factor of 2. PGS was found to be thermo-mouldable and adaptable to high-shear mixing, and hence is a better candidate for making thermoplastic elastomers using reactive extrusion. The challenges and possibilities in scaling up a batch process to a continuous process were investigated. The use of a wiped film reactor or a disk reactor along with reactive extrusion and batch-mixing (as a post-extrusion operation) is a commercially viable method to synthesise PGS oligomers. Such a continuous process will boost the production of bioelastomers for tissue engineering application by addressing the constraints in step-growth polymerisation. Finally, the effect of PGS substrate stiffness and surface treatment (aminolysis, hydrolysis, layer-by-layer deposition) on the morphology and lineage of mesenchymal stem cells – which have a capacity to differentiate themselves into cartilage, adipose, tendon, and muscle tissues – was analysed using fluorescence microscopy and DNA and protein assays. Stiffness of the PGS surface and the method of treatment influenced the cell attachment and spreading on different surfaces. However, cells did not differentiate into definite phenotypes at the end of 14 d time-point, indicating that higher time-points are needed to be considered to study the effect of matrix stiffness and surface treatment on cell attachment and phenotype differentiation.

Die Arbeit befasst sich grundlegend mit der radiaklischen Polymerisation von ionischen Monomeren in wässriger Lösung. Kinetische Koeffizienten dieser Polymerisationsreaktionen wurden durch Pulslaser-induzierte Polymerisationen in Verbindung mit Größenausschlusschromatographie (PLP–SEC), mit hoch zeitaufgelöster Nahinfrarot-Detektion nach Einzelpuls-(SP)-Anregung (SP–PLP–NIR) und mit hoch zeitaufgelöster Elektronenspinresonanzspektroskopie (SP–PLP–ESR) untersucht. Die Messungen wurden durch Simulationen mit dem Programmpaket Predici® unterstützt. Die Terminierungskinetik der radikalischen Polymerisation des wasserlöslichen nicht-ionischen Monomers N-Vinylformamid wurde in Substanz und in wässriger Lösung bei 40 bis 70 °C und bei 500 bis 2500 bar als Funktion des Umsatzes mit der SP–PLP–NIR-Technik bestimmt. Die Einflüsse von Terminierung, Transferreaktionen und Verbreiterungs-mechanismen auf die Bildung von PLP-Strukturen beliebiger Monomere im PLP–SEC-Experiment wurden grundlegend durch Predici®-Modellierung untersucht. Die Resultate geben Auskunft, unter welchen PLP-Bedingungen verlässliche auswertbare PLP-Strukturen erhalten wurden. So ist es erforderlich, dass 19 bis 92% der erzeugten Radikale zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen terminieren. Da aufgrund der langsamen Terminierung (<19%) und intermolekularer oder intramolekularer Transferreaktionen die PLP–SEC-Methode für ionische Monomere oft nicht anwendbar ist, wurde der Geschwindigkeitskoeffizient der Propagation, kp, etwa von Trimethylaminoethylmethacrylat (TMAEMA) in D2O im Temperatur-intervall 30 bis 60 °C durch Anpassung von Umsatz-Zeit-Verläufen mit einem Predici®-Modell bestimmt. Eine Modell-unabhängige Bestimmung der Propagations- und Terminierungskinetik von TMAEMA unter identischen Bedingungen erfolgte durch Kombination der gekoppelten Parameter <kt>/kp und kp/<kt>0,5 aus SPPLPNIR-Messungen bzw. chemisch initiierten Experimenten. Trimethylaminoethylacrylat-(TMAEA)-Polymerisationen wurden bei 20 bis 84 °C mit Predici® modelliert. Dabei wurde die enorme Bedeutung der mid-chain Radikal (MCR)-Kinetik für die Polymerisationsrate ionischer Acrylate deutlich. Die Predici®-Modellierung von ionisierter Methacrylsäure (MAA) zeigte, dass die durch PLPSEC bestimmten literaturbekannten kp-Werte systematisch um einen Faktor zwei zu groß sind. Der Einfluss der Gegenionenkonzentration auf kp wurde für ionisierte MAA bei 30 bis 80 °C durch Anpassung von Umsatz-Zeit-Verläufen bestimmt. Der präexponentielle Faktor von kp nimmt mit steigender Gegenionen-konzentration zu, also bei Erhöhung der Monomerkonzentration und bei Salzzugabe. Die Terminierungskinetik von ionisierter MAA wurde mittels SP–PLP–NIR als Funktion des Umsatzes bei 1 bis 500 bar zwischen 20 und 80 °C untersucht. Untersuchungen der Polymerisationskinetik von ionisierter Acrylsäure (AA) durch NIR, SP–PLP–NIR, SP–PLP–ESR und 13C-NMR ergaben, dass alle Geschwindigkeitskoeffizienten von der Art und Konzentration der Gegenionen beeinflusst werden, wobei sie mit steigender Gegenionen-konzentration zunehmen, was auf die Bildung von Kontaktionenpaaren zurückgeführt werden kann. Die beteiligten Geschwindigkeitskoeffizienten bewirken einen hohen MCR-Anteil von etwa 98% bei 50 °C. Da trotz der hohen MCR-Konzentration die SPR-Konzentration für das Wachstum entscheidend ist (kps ≈ 103·kpt), führen geringe Verschiebungen des SPR-MCR-Gleichgewichts bei Variation der Reaktionsbedingungen zu großen Effekten in der Polymerisationsrate. Die in der vorgelegten Arbeit ermittelten kinetischen Koeffizienten erlauben die umfassende Simulation von Monomerumsatz-Zeit-Verläufen sowie von Molmassenverteilungen der polymeren Produkte für ionische Polymerisationen in wässriger Lösung bei weiter Variation der Monomerkonzentration, des Monomerumsatzes, der Art und Konzentration von Gegenionen sowie von Temperatur und Druck.