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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-07022022-105126
Document
Author
Full name
Vinícius Nobre dos Santos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Aguiar, Leandro Gonçalves de (President)
Hirota, Wilson Hideki
Lona, Liliane Maria Ferrareso
Pinto, José Carlos Costa da Silva
Sayer, Claudia
Title in Portuguese
Estudo da formação de redes poliméricas através da técnica de polimerização em miniemulsão: estudo experimental e modelagem matemática.
Keywords in Portuguese
Divinilbenzeno
Estireno
Microgeis
Modelos matemáticos
Polimerização
Abstract in Portuguese
Foram realizadas reações de homopolimerização de estireno e copolimerização de estireno com divinilbenzeno em minimeulsão com o objetivo de contribuir para o aumento do entendimento sobre esses sistemas em miniemulsão. Para auxiliar no entendimento dos sistemas estudados foi utilizado um modelo matemático para homopolimerização do estireno e outro modelo para a copolimerização estireno-divinilbenzeno. A homogeneização foi realizada em dispersor do tipo rotor estator (Ultra-Turrax) e as reações foram conduzidas em reator batelada isotérmico. As principais variáveis independentes analisadas no presente trabalho foram o tipo de surfactante (aniônico e não iônico), a concentração de surfactante e a concentração do divinilbenzeno. O modelo utilizado para homopolimerização do estireno utiliza o método dos momentos para determinação da massa molar média. O modelo utilizado para a copolimerização estirenodivinilbenzeno utiliza o fracionamento numérico para descrição das massas molares da fração solúvel e da fração gel. A conversão de monômeros para as reações de homopolimerização e copolimerização foram ajustadas através do parâmetro de eficiência de captura das gotas e diâmetro de partículas. Foi verificada uma correlação e ajustado através de uma expressão quadrática o parâmetro de eficiência de captura das gotas e o tamanho de partículas dos experimentos ajustados. O parâmetro de ligações cruzadas apresentou diferentes valores de ajuste para diferentes diâmetros de partículas: 0,0005 para experimentos com diâmetros de partículas de 123 nm e 152 nm; 0,001 para experimento com diâmetro de partículas de 82 nm. Os resultados mostraram que o tipo e concentração de surfactante têm grande influência sobre o tamanho das partículas e através do efeito de compartimentalização de radicais, o tamanho de partículas é a propriedade que tem maior influência sobre a conversão de monômeros, massa molar média, concentração de duplas ligações pendentes e fração gel. A mistura de surfactantes pode produzir distribuição de tamanho de partículas com maiores polidispersidades o que pode não ser a situação ideal quando se deseja ter um maior controle sobre as estruturas. A reação de formação de microgéis através da copolimerização em miniemulsão apresenta, desde os instantes iniciais, fração gel em torno de 1, não apresentando o pico característico de ponto gel observado nas reações de formação de redes poliméricas em meios homogêneos. O diâmetro de partículas tem influência sobre o parâmetro de ligações cruzadas e nesse contexto a polimerização em miniemulsão é uma técnica promissora para sínteses de microgéis com um controle adicional sobre sua microestrutura.
Title in English
Study of the formation of polymeric networks through the miniemulsion polymerization technique: experimental study and mathematical modeling.
Keywords in English
Divinylbenzene
Mathematical modeling
Microgels
Miniemulsion polymerization
Styrene
Abstract in English
Reactions of homopolymerization of styrene and copolymerization of styrene with divinylbenzene in miniemulsion were carried out to contribute to improve the understanding of these systems in miniemulsion. A mathematical model for styrene homopolymerization and another model for a styrene-divinylbenzene copolymerization were used to interpret the results. The homogenization step was carried out in a rotor-stator equipment (Ultra-Turrax) and the reactions were carried out in an isothermal batch reactor. The main independent variables analyzed in the present work were the type of surfactant (anionic and non-ionic), surfactant concentration and divinylbenzene concentration. The mathematical model used for homopolymerization of styrene uses the method of moments to determine the average molar mass of polymer synthesized. The model used for the styrene divinylbenzene copolymerization uses numerical fractionation to describe the average molar mass of the soluble fraction of the polymer synthesized and gel fraction. The monomer conversion in the homopolymerization and copolymerization reactions were adjusted through the drop capture efficiency parameter and particle diameter. A correlation between the drop capture efficiency and the particle size of the experiments was verified and fitted through a quadratic expression. The crosslink parameter presented different fitted values for different particle diameters: 0.0005 for experiments with particle diameters of 123 nm and 152 nm; 0.001 for an 82 nm particle diameter experiment. The results showed that the type and concentration of surfactant have a great influence on the particle size and through the effect of compartmentalization of radicals, the particle size is the property that has the greatest influence on the conversion of monomers, average molecular weight, concentration of pendant double bonds and gel fraction. Mixing surfactants can produce particle size distributions with greater values of polydispersity, which may not be the ideal situation when finer control over structures is desired. The microgel formation through copolymerization in miniemulsion presents a gel fraction around 1, at very short times not presenting the characteristic gel point peak observed in the reactions of formation of polymeric networks in homogeneous media. The particle diameter influences the crosslink parameter and in this context miniemulsion polymerization is a promising technique for microgel synthesis with additional control over its microstructure.
 
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Publishing Date
2022-02-07
 
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