Aim of magister´s thesis was to study reaction kinetics of dental materials. Thesis was focused on dimethacrylate dental polymers, which are for example used for dental restoration, tooth repair and creating now teeth. First part of the thesis concentrates on influence of molar ratio on reation kinetics by addition of other monomer to polymer resin. Second part concentrates on influence of addition of additive silica on reaction kinetics of polymerization. Essential variables know as a polymerization ratio, conversion, gel point, glass transition temperature and storage modulus were studied. Firstly, polymerization ratio and conversion were observed by differential scanning calorimetry (DSC). Secondly rheology was observed by photoreometr. Finally, glass transition temperature and storage modulus were observed by dynamic mechanical analysis (DMA). Behaviour changes caused by addion of monomer or filler point out decrease of polymeration ratio and converstion. Same behaviour was observed by short exposure. In order to established network formation, values of gel point increased by higher concentration of monomer or filler. Glass transition temperature and storage modulus measured by DMA were evaluated. Those valuables had variable tendency due to monomer acting like filler at higher concentration. Also contradictory impact of different material conversion and filler concetration was discussed.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The purpose of this study is to further investigate the effect of using six different light source types with different light output intensities on the parameters of a mathematical model that predicts the DOC in VLDC’s. In this equation: D = Dp In(E0/Ec), D is the depth of cure in millimeters, E is the curing energy in J/cm2, Ec is the critical curing energy for the composite to reach a gel layer, and Dp is a characteristic coefficient. Three LED and three halogen dental curing units with different light output intensities were used to cure three shades (B1, A3, D3) of a hybrid resin composite. The exposure duration was at the intervals of 10, 20, 30, and 40 seconds for each sample setting. ISO scraping technique was performed to measure the depth of cure of each sample. Regression analysis was used to assess the fit of the proposed mathematical model D = Dp In(E0/Ec) to the experimental data obtained in this study. 72 For all the shade-light combinations; A3, B1, and D3 had significantly different regression lines (P < 0.05) with significantly higher Dp and Ec for B1 than A3 and D3. The only exceptions were for the Ec values between B1 and D3 in Allegro, Astralis 5, and Visilux 2 groups; and the Ec between A3 and B1 in Allegro group. The Dp and Ec parameters didn’t show significant differences between A3 and D3 shades in all the groups. Also, most of the significant differences for Dp values occurred in the B1 shade-light combinations; however, none of the D3 shade-light combinations showed significant differences for Dp. Several factors play combined influential effects on the kinetics of polymerization and depth of cure in VLDC’s. The shade has a more dominant effect on both parameters Dp and Ec than the curing light type or source output intensity. As we cure lighter shades “B1,” the effect of using different lights with different output intensities on the two parameters Dp and Ec will be greater and more significant than for darker shades “A3 or D3.” The clinical significance drawn from this study is that clinicians should recognize that using curing lights w/ increased output intensities doesn’t absolutely increase the DOC of VLDC’s especially with the darker shades.

Dans ce travail de thèse, des mélanges réactifs de polymères thermoplastiques immiscibles PMMA,PE et PS ont été réalisés dans un mélangeur (RMX®) qui génère principalement des écoulements élongationnels connus pour leurs pouvoirs distributifs et dispersifs même lorsque les composants ont une différence de viscosité importante. La polymérisation in-situ du styrène a été conduite par auto-polymérisation thermique et grâce à des amorceurs radicalaires. Différentes méthodes de préparations et paramètres de mélanges ont été testés puis évalués par l’analyse d’images de microscopie électronique. Les plus petits nodules de PS que nous avons obtenus ont un rayon moyen de l’ordre de 50 nm. Des mélanges binaires 90/10 à base de PS ou PE et d’un thermodur polyépoxyde (MDEA/DGEBA) ont également été réalisés. Les nodules sphériques les plus petits que nous avons obtenus ont un rayon moyen de l’ordre de 65 nm. / In this work, binary and ternary reactive blends based on immiscible thermoplastic polymers PMMA,PE and PS were realized. The in-situ polymerization of the styrene, precursor of PS, was led by thermal self-polymerization or still thanks to radical initiator. Blends were realized in a mixer named RMX who generates mainly extensional flows known for their distributive and dispersive skill even if components have an important viscosity difference. Various methods of preparation and parameters of mixtures were tested. Morphology was evaluated by the analysis of electronic microscopy images.The average radiuses of the dispersed PS phase were compared with those observed in the literature. The smallest that we obtained have an average radius of 50 nm. Binary mixtures 90/10 %m with PS or PE and with a thermodur polyepoxide (MDEA/DGEBA) were also realized. The smallest spherical nodules that we obtained have an average radius of the order of 65 nm.

The aim of this thesis is the investigation of modeling and optimization particularities of tubular polymerization reactors. The original work is divided in two sections, the first treating a modeling and optimization study of tubular reactors for methyl methacrylate polymerization in solution, and the second, an experimental and theoretical study of L-lactide reactive extrusion. In the first section, reactor simulations in similar operating conditions were performed in order to select a representative kinetic model among the published kinetic models for MMA solution polymerization. Two widely used numerical algorithms, one based on Pontryagin's Minimum Principle and the other a Genetic Algorithm, were compared for an average-complexity optimization problem. The results showed a superior robustness of the Genetic Algorithm for this category of problems. The second part of the thesis deals with the modeling and optimization of L-lactide reactive extrusion. A kinetic model is proposed and its parameters estimated using nonlinear estimation numerical procedures based on experimentally measured data. Reactive extrusion experiments were performed in representative operating conditions. The Llactide/ polylactide flow in the extruder was characterized by simulation using the commercial software LUDOVIC®. The simulated residence time distributions characteristics are used to model the reactive extrusion process of two approaches, an axial dispersion model and a compartment model, based on compartments whose characteristics are deduced from the simulations using LUDOVIC®. The modeling results are in good agreement with the measured data in the same operating conditions.

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Propagations- und Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten radikalischer Polymerisationen in w&auml;ssriger L&ouml;sung wurden durch Pulslaser-induzierte Polymerisationen und durch chemisch initiierte Polymerisationen bestimmt. Pulslaser-induzierte Polymerisationen wurden von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid und Prop&#8209;2&#8209;enamid durchgef&uuml;hrt. Anschlie&szlig;ende Analyse der Produkte mittels Gr&ouml;&szlig;enausschlusschromatographie erm&ouml;glichte die Bestimmung der Propagationsgeschwindigkeitskoeffizienten. Die beobachtete &Auml;nderung des Propagationsgeschwindigkeitskoeffizienten mit der Monomerkonzentration kann durch die St&auml;rke, mit der innere Rotationen und Vibrationen im &Uuml;bergangszustand des Propagationsschritts gehindert sind, erkl&auml;rt werden. Die Abh&auml;ngigkeit der St&auml;rke der Hinderung von der Monomerkonzentration l&auml;sst sich zur&uuml;ckf&uuml;hren auf sich mit steigendem Monomeranteil verst&auml;rkende intermolekulare Wechselwirkungen der &Uuml;bergangszustandsstruktur mit solvatisierenden Molek&uuml;len. Zur Bestimmung der Aktivierungsvolumina und der Arrhenius-Aktivierungsenergien der Propagation wurden Druck und Temperatur von Umgebungsdruck bis 2&nbsp;000&nbsp;bar beziehungsweise von 10&nbsp;&deg;C bis 80&nbsp;&deg;C variiert. Sowohl die Aktivierungsenergie als auch der Betrag des Aktivierungsvolumens sind im Fall von 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid gr&ouml;&szlig;er verglichen mit <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid. Diese Beobachtung kann dem Umstand, dass <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid keine &alpha;&#8209;Methylgruppe aufweist, zugeschrieben werden. Beide Aktivierungsparameter sind im Fall von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid denen des <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid &auml;hnlich. Dies ist unerwartet, da <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid eine &alpha;&#8209;Methylgruppe aufweist. Unterschiede zwischen beiden Monomeren hinsichtlich der Konformation der Kohlenstoff&ndash;Kohlenstoff-Doppelbindung relativ zur Kohlenstoff&ndash;Sauerstoff-Doppelbindung k&ouml;nnten diese Beobachtung erkl&auml;ren.<br> Zur Bestimmung von Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten wurde die Polymerisation durch einen einzelnen Laserpuls initiiert und der Monomer-zu-Polymer-Umsatz anschlie&szlig;end mittels zeitaufgel&ouml;ster Nahinfrarotspektroskopie verfolgt. Die Zeitaufl&ouml;sung ist auf 0.33&nbsp;&mu;s verbessert worden. Wiederholte Einstrahlung von Laserpulsen in Kombination mit nahinfrarotspektroskopischer Analyse liefert Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten als Funktion des Grades des Monomerumsatzes. Untersuchungen der Terminierungskinetik von Prop&#8209;2&#8209;enamid, 2&#8209;Methylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid, <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on wurden, aufgrund des besseren Signal-Rausch-Verh&auml;ltnisses bei hohen Dr&uuml;cken, bei 2&nbsp;000&nbsp;bar durchgef&uuml;hrt. Weitere Messungen wurden im Fall der meisten Prop&#8209;2&#8209;enamide bei Dr&uuml;cken von 500&nbsp;bar, 1&nbsp;000&nbsp;bar und 1&nbsp;500&nbsp;bar durchgef&uuml;hrt. Die dadurch erhaltenen Aktivierungsvolumina k&ouml;nnen zur Absch&auml;tzung des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten bei Umgebungsdruck verwendet werden. Die Aktivierungsvolumina der Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von <i>N</i>,2&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und von Prop&#8209;2&#8209;enamid belaufen sich auf 12.4&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1 beziehungsweise 14.3&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1. Das Aktivierungsvolumen im Fall von <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid (4.9&nbsp;cm³&middot;mol^&minus;1) ist kleiner als erwartet. Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on konnten f&uuml;r einen gro&szlig;en Bereich der Anfangsmonomerkonzentration und des Grades des Monomerumsatzes erhalten werden. Diese Daten erm&ouml;glichen eine detaillierte Analyse der Parameter, die zur Beschreibung der Monomerumsatzabh&auml;ngigkeit des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten verwendet werden. Es wird angenommen, dass der Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizient innerhalb des untersuchten Monomerumsatzbereichs durch Segment-, Translations- und Reaktionsdiffusion kontrolliert ist.<br> Im Fall von <i>N</i>,<i>N</i>&#8209;Dimethylprop&#8209;2&#8209;enamid und 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on wurden dynamische Viskosit&auml;ten von Monomer&ndash;Wasser-Gemischen bei Umgebungsdruck bestimmt, um das Verst&auml;ndnis der Terminierungskinetik zu erleichtern. F&uuml;r diese beiden Monomere wurde durch Pulslaser-induzierte Polymerisation eine gro&szlig;e Anzahl von Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten in Abh&auml;ngigkeit von der Anfangsmonomerkonzentration erhalten.<br> Zur Bestimmung des Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizienten von Prop&#8209;2&#8209;enamid in Abh&auml;ngigkeit vom Monomerumsatz wurden chemisch initiierte Polymerisationen bei Umgebungsdruck durchgef&uuml;hrt. Die erhaltenen Werte stimmen gut mit Daten &uuml;berein, die mit Hilfe von Pulslaser-induzierten Polymerisationen ermittelt wurden.<br> Untersuchungen der bin&auml;ren Copolymerisation von 1&#8209;Vinylpyrrolidin&#8209;2&#8209;on und Natriumacrylat zeigten einen ausgepr&auml;gten Einbau von Natriumacrylat in das gebildete Copolymer. Dies wurde mittels Kernspinresonanzspektroskopie gemessen. Die Monomerreaktivit&auml;tsverh&auml;ltnisse wurden mit Hilfe der Lewis&ndash;Mayo-Gleichung bestimmt.

Les particules des polymères avec des propriétés magnétiques sont utilisées dans des applications thérapeutiques in vivo, comme des agents de libération contrôlée de principes actifs, pour des applications ex vivo, dans l’extraction de cellules cancéreuses dans le corps, et finalement pour le diagnostic in vitro. La nécessité de matériaux biocompatibles et intelligents, comme agent d’encapsulation de nanoparticules magnétiques, conduit à l’utilisation de polymères hydrophiles, biodégradables, biocompatibles et dans certains cas stimulables. Dans les applications thérapeutiques, cette technologie est basée sur le déplacement des particules en appliquant un champ magnétique et sur la concentration du médicament dans la zone d’intérêt. Cette étape est suivie par la libération du médicament, en utilisant les propriétés des polymères stimulables. Ainsi, cette thèse est consacrée à l’étude de la préparation de nanoparticules composées d’une matrice polymère sensible aux stimuli et des particules d’oxyde de fer (γ-Fe2O3 et Fe3O4). Tout d’abord, nous avons étudié l’obtention de nanogels à base de poly(NVCL-co-AA) en utilisant la polymérisation par précipitation. La poly (N-vinylcaprolactama) (PNVCL)et un polymère qui possède une température critique inférieure de solubilité (LCST), proche de la température physiologique (35-38°C). Ce polymère est connu pour avoir une bonne biocompatibilité plus haute, par rapport à des autres polymères sensibles à la température. En plus, le poly (acide acrylique) (PAA) est un polymère qui présente la sensibilité au pH. Dans cette étape, on a étudié l’influence de quelques paramètres de synthèse sur les diamètres des particules, la distribution de la taille des particules et la sensibilité à la température des nanogels. La sensibilité au pH a été également évaluée en fonction de la concentration d’AA ajouté dans les synthèses. Ensuite, nous avons effectué l’étude de l’incorporation de nanoparticules magnétiques stabilisées par le dextran dans les nanogels de PNVCL réticulé en utilisant la technique de polymérisation en mini-émulsion inverse. Les nanogels magnétiques thermosensibles ont été caractérisés en termes de taille (DP), distribution de la taille des particules (DTP) en utilisant la diffusion de la lumière. Le caractère thermosensible des nanogels magnétiques a également été étudié en mesurant le diamètre hydrodynamique en fonction de la température. Les propriétés magnétiques (aimantation spécifique et la magnétisation) ont été examinées en utilisant un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). L’analyse par infrarouge (GTIR) et par diffraction des rayons X ont montré qualitativement l’incorporation des nanoparticules magnétiques dans la matrice polymère. L’efficacité d’encapsulation de nanoparticules d’oxyde de fer a été étudiée par l’analyse thermo-gravimétrique (TGA) et par les mesures d’aimantation. Les caractéristiques morphologique des nanogels magnétiques et stimulables ont été examinées par la microscopie électronique en transmission (TEM). / Polymeric particles with magnetic properties can be useful for in vivo therapeutic applications, as agents for controlled drug release, for ex vivo applications, as agents for the extraction of cancer cells, and finally, for the diagnosis in vitro. The search for biocompatible and smart materials as agents for the encapsulation of magnetic particles, leads to the use of stmuli-responsive polymers. In therapeutic applications, this technology is based on the localization and the concentration of the particles containing the drug in the area of interest by applying a magnetic field. This step is followed by the release of the drug, using the sensitive properties of the polymers. In this context, this thesis is devoted to the preparation of nanoparticles constituted by a stimuli-responsive polymer matrix and particles of iron oxide (γ-Fe2O3 e Fe3O4). First of all, we performed the synthesis of poly(NVCL-co-AA)-based nanogels using the precipitation polymerization method. Poly(N-vinilcaprolactama) (PNVCL) is a thermo-responsive polymer which presents the lower critical solution temperature (LCST) near the physiological temperature (35-38 °C) and it is well known by its greater biocompatibility, in comparison with other themallysensitive polymers. On the other hand, the poly(acrylic acid) (PAA) is known by its sensibility to changes in the enviromental pH. In this stage, the influence of some synthesis parameters on the particles diameter, polydispersity and themally-sensitive behavior of the nanogels was evaluated. The pH-sensibility behavior was also studied as a function of the AA concentration in the synthesis. As a second step, the study of the incorporation of dextran-coated magnetic nanoparticles in the PNVCL-based nanogels using the inverse miniemulsion polymerization was preformed. The thermo-responsive magnetic nanogels were characterized in terms of particles diameter (PD) and particles size distribution (PSD) using light scattering. The temperature sensitivity of the magnetic nanogels was also studied by light scattering, with measurements of particles diameter as a function of temperature. The magnetization measurements were obtained on a vibrating sample magnetometer (VSM). Analysis of infra-red (FTIR) and X-ray diffraction revealed qualitatively the incorporation of magnetic nanoparticles. The incorporation efficiency of iron oxide nanoparticles was studied by thermo-gravimetric analysis (TGA) and magnetic measurements. The morphological characteristics of the magnetic nanogels were observed by transmission electron microscopy (TEM). / Partículas poliméricas com propriedades magnéticas podem ser utilizadas tanto em aplicações terapêuticas in vivo, como agentes de liberação controlada de princípios ativos, ex vivo, na extração de células cancerígenas do organismo, ou ainda in vitro, em diagnósticos. A necessidade de materiais inteligentes e biocompatíveis, como agentes de encapsulação destas partículas magnéticas, leva ao uso de polímeros sensíveis a estímulos. Em aplicações terapêuticas, esta tecnologia é baseada na localização das partículas através da aplicação de um campo magnético e na concentração da droga na área de interesse. Esta etapa é seguida pela liberação da droga, utilizando-se as propriedades sensíveis dos polímeros. Dessa forma, este trabalho de tese se dedica ao estudo da obtenção de nanopartículas constituídas de uma matriz polimérica sensível a estímulos e de partículas de óxido de ferro (γ-Fe2O3 e Fe3O4). Inicialmente, nanogéis à base de poli(NVCL-co-AA) foram obtidos através do método de polimerização por precipitação. A Poli(Nvinilcaprolactama) (PNVCL) é um polímero termo-sensível, que possui temperatura crítica inferior de solubilização (LCST) próxima à temperatura fisiológica (35-38 ºC) e é conhecida, ainda, por possuir maior biocompatibilidade, em comparação a outros polímeros do gênero. O poli(ácido acrílico) (PAA), por sua vez, é um polímero que apresenta sensibilidade ao pH. Nesta etapa estudou-se a influência de alguns parâmetros de síntese nos diâmetros de partículas, na polidispersidade e na sensibilidade à temperatura dos nanogéis. A sensibilidade ao pH também foi estudada em função da concentração de ácido acrílico adicionado nas sínteses. Em seguida, realizou-se o estudo da encapsulação de nanopartículas magnéticas complexadas com dextrana em nanogéis de PNVCL, utilizando-se a técnica de polimerização em miniemulsão inversa. Os nanogéis magnéticos sensíveis à temperatura foram caracterizados quanto ao diâmetro de partículas (DP) e distribuição do diâmetro de partículas (DDP), pela técnica de espalhamento de luz. A sensibilidade à temperatura dos nanogéis magnéticos também foi estudada por espalhamento de luz, através de medidas de diâmetro de partículas em diferentes temperaturas. As medidas de magnetização foram obtidas em um magnetômetro de amostra vibrante (MAV). Análises de infravermelho (FTIR) e de difratometria de raios X revelaram qualitativamente a encapsulação das nanopartículas magnéticas. A eficiência de incorporação das nanopartículas de óxido de ferro foi estudada através de análi ses termogravimétricas (TGA) e medidas de magnetização. As características morfológicas dos nanogéis magnéticos foram observadas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

Le but de cette thèse est l’investigation des particularités des problèmes d’optimisation et modélisation des réacteurs tubulaires de polymérisation. La partie originale du travail est divisé en deux sections : la première traitant de l'étude théorique de la modélisation et de l’optimisation des réacteurs tubulaires de polymérisation du méthacrylate de méthyle en solution, et la deuxième, une étude expérimentale et théorique de l'extrusion réactive de L-lactide. Dans la première partie, afin de sélectionner un modèle cinétique représentatif, parmi les modèles publiés pour le processus de polymérisation de MMA, des simulations ont été effectuées en conditions identiques de fonctionnement. Deux algorithmes numériques, l’un basé sur le Principe du Minimum de Pontriaguine et l’autre de type Génétique, ont été comparés pour un problème d'optimisation de complexité moyenne. Les résultats ont montré une robustesse supérieure de l’Algorithme Génétique pour cette catégorie de problèmes. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation et à l’optimisation de l'extrusion réactive du Llactide. Nous avons proposé un modèle cinétique et ses paramètres ont été estimés en utilisant des procédures numériques basées sur les données cinétiques expérimentales. Les expériences d'extrusion réactives ont été exécutées dans les conditions de fonctionnement représentatives. L'écoulement de L-lactide/polylactide dans l'extrudeuse a été caractérisé par la simulation en utilisant un logiciel commercial, LUDOVIC®. Les caractéristiques de la distribution des temps de séjour simulées sont utilisées pour modéliser le processus d'extrusion réactive en utilisant deux approches, un modèle à dispersion axiale et un modèle à base de compartiments, dont les caractéristiques sont déduites des simulations effectuées avec LUDOVIC®. Les résultats de la modélisation du processus sont en bon accord avec des données mesurées en mêmes conditions opératoires. / The aim of this thesis is the investigation of modeling and optimization particularities of tubular polymerization reactors. The original work is divided in two sections, the first treating a modeling and optimization study of tubular reactors for methyl methacrylate polymerization in solution, and the second, an experimental and theoretical study of L-lactide reactive extrusion. In the first section, reactor simulations in similar operating conditions were performed in order to select a representative kinetic model among the published kinetic models for MMA solution polymerization. Two widely used numerical algorithms, one based on Pontryagin’s Minimum Principle and the other a Genetic Algorithm, were compared for an average-complexity optimization problem. The results showed a superior robustness of the Genetic Algorithm for this category of problems. The second part of the thesis deals with the modeling and optimization of L-lactide reactive extrusion. A kinetic model is proposed and its parameters estimated using nonlinear estimation numerical procedures based on experimentally measured data. Reactive extrusion experiments were performed in representative operating conditions. The Llactide/ polylactide flow in the extruder was characterized by simulation using the commercial software LUDOVIC®. The simulated residence time distributions characteristics are used to model the reactive extrusion process of two approaches, an axial dispersion model and a compartment model, based on compartments whose characteristics are deduced from the simulations using LUDOVIC®. The modeling results are in good agreement with the measured data in the same operating conditions.

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