• No results found

Surface Modification of Cellulose by Covalent Grafting and Physical Adsorption

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Surface Modification of Cellulose by Covalent Grafting and Physical Adsorption"

Copied!
87
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

S URFACE  M ODIFICATION OF  C ELLULOSE BY 

C OVALENT  G RAFTING AND  P HYSICAL 

A DSORPTION  

 

Linn Carlsson  Doctoral Thesis 

   

AKADEMISK AVHANDLING   

som med tillstånd av Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm framläggs  till offentlig granskning för avläggande av teknisk doktorsexamen fredagen  den  21:a  februari  2014,  kl.  10:00  i  Kollegiesalen,  Brinellvägen  8,  KTH,  Stockholm.  Avhandlingen  försvaras  på  engelska.  Fakultetsopponent: 

Professor  Mohamed  Naceur  Belgacem,  Ecole  Internationale  du  Papier,  de 

la  communication  imprimée  et  des  biomatériaux,  Grenoble  INP  –  Pagora, 

France.

(2)

                               

Copyright © 2014 Linn Carlsson  All rights reserved 

Paper I   © 2012 American Chemical Society  Paper II  ©  2012 The Royal Society of Chemistry  Paper III  © 2013 American Chemical Society  Paper V  © 2012 The Royal Society of Chemistry  TRITA‐CHE Report 2014:2 

ISSN 1654‐1081 

ISBN 978‐91‐7501‐987‐1 

(3)

has  increased  tremendously  over  the  last  years.  At  the  same  time  the  Swedish  forest  industry  faces  new  challenges  in  its  strive  to  increase  the  utilization  of  cellulose  fibers  in  high‐value  end‐products.  The  aim  of  this  study  was  to  expand  the  toolbox  for  surface  modification  of  cellulose  by  employing  covalent  surface‐initiated  (SI)  polymerizations  or  by  physical  adsorption of polymers.  

     SI‐ring‐opening  polymerization  (ROP)  of  ‐caprolactone  (‐CL)  was  performed  from  filter  paper  (FP)  and  high  surface  area  nanopaper  (NP). 

Larger  amounts  of  polycaprolactone  (PCL)  were  grafted  from  NP,  compared  to  FP,  owing  to  the  higher  amount  of  available  initiating  hydroxyl  groups.  Furthermore,  the  mechanical  properties  of  PCL  were  improved by the grafting of FP and NP, as compared to pure PCL. 

     It is challenging to characterize a polymer grafted from a surface. Hence,  quartz  crystal  microbalance  with  dissipation  (QCM‐D)  was  employed  to  investigate SI‐ROP in real time from a cellulose model surface. 

    Furthermore, it was shown by colloidal probe AFM that increased length  of  grafted  PCL,  from  cellulose  microspheres,  improved  the  interfacial  adhesion to a pure PCL surface, suggesting that chain entanglements have  a  significant  impact  on  the  interfacial  properties.  Increased  temperature  and time in contact also improved the adhesion. 

     In order to investigate the degree of substitution (DS) and the degree of  polymerization  (DP),  PCL‐grafted  hydrolyzed  cellulose  cotton  linters  (HCCL) were studied by solid state NMR. It was found that despite a DS of  only  a  few  percent,  the  surface  character  changed  considerably; 

furthermore, the  DS  was  virtually independent  of  the  DP.  To increase  the  amount  of  grafted  polymer,  ring‐opening  metathesis  polymerization  (ROMP)  of  norbornene  was  performed  from  FP.  Short  polymerization  times and low temperatures resulted in highly grafted surfaces.  

     Alternatively,  physical  adsorption  by  electrostatic  interactions  was  employed  to  modify  a  cellulose  model  surface  in  the  QCM‐D.  Cationic  latex nanoparticles of poly(dimetylaminoethyl methacrylate‐co‐methacrylic  acid)‐block‐poly(methyl  methacrylate)  were  produced  by  reversible  addition‐fragmentation  chain‐transfer  (RAFT)‐mediated  surfactant‐free  emulsion polymerization by polymerization‐induced self‐assembly (PISA). 

This  strategy  does  not  require  any  organic  solvents  and  could  potentially 

be introduced in industrial processes.  

(4)

markant de senaste åren. Detta samtidigt som den svenska skogsindustrin  står  inför  nya  utmaningar  i  sin  strävan  att  öka  användningen  av  cellulosafibrer i förädlade produkter. Syftet med denna studie var att utöka  verktygslådan  för  ytmodifiering  av  cellulosa  via  kovalent  ytinitierade  polymerisationer eller genom fysikalisk adsorption av polymerer. 

     Ytinitierad  ringöppningspolymerisation  av  ‐kaprolakton  utfördes  från  filterpapper  (FP)  och  nanopapper  (NP)  med  hög  ytarea.  NP  gav  större  ympad  mängd  på  grund  av  fler  initierande  hydroxylgrupper.  De  mekaniska  egenskaperna  av  polykaprolakton  (PCL)  förbättrades  vid  ympningen  från  FP  och  NP  jämfört  med  en  ren  PCL  matris  och  fuktadsorptionen  reducerades  avsevärt  i  jämförelse  med  omodifierade  FP  eller NP.  

     Det  är  en  stor  utmaning  att  karakterisera  ympade  polymerer,  därför  utvecklades  en  metod  där  ytinitierad‐ROP  från  en  cellulosamodellyta  studerades  med  en  kvartskristallmikrovåg  med  dissipation  (QCM‐D). 

Atomkraftsmikroskopi med kolloidal sond visade att ökad ympningslängd  av  PCL  förbättrade  vidhäftningsförmågan,  vilket  indikerar  att  kedjeintrasslingar har en signifikant påverkan på gränsskiktsegenskaperna. 

Ökad  temperatur  och  kontakttid  resulterade  också  i  ökad  vidhäftningsförmåga. 

     För att utreda inverkan av den ympade polymerisationsgraden (DP) och  substitutionsgraden  (DS)  studerades  PCL‐ympade  hydrolyserade  cellullosabomullslinters  med  fastfas‐NMR.  Studierna  visade  att  trots  låg  substitutionsgrad  (några  få  procent)  så  ändrades  ytkaraktären  signifikant  och substitutionsgraden var relativt konstant oberoende av DP.  

     För  att  öka  mängden  ympad  polymer  utfördes  ringöppnings‐

metatespolymerisation  (ROMP)  från  FP.  Korta  reaktionstider  och  låga  polymerisationstemperaturer resulterade i kraftigt ympade ytor.  

     Fysikalisk  adsorption  genom  elektrostatiska  interaktioner  användes  för  att  modifiera  en  cellulosamodellyta  i  en  QCM‐D.  Katjoniska  latexnanopartiklar  av  sampolymeren  poly(dimetylaminoetylmetakrylat‐

metakrylsyra‐metylmetakrylat)  syntetiserades  med  reversibel  additions‐

fragmenteringskedjeöverförings‐medlad tensidfri emulsionspolymerisation 

genom  polymerisations‐inducerad  själv‐organisation.  Denna  strategi 

kräver inga organiska lösningsmedel och har potential att kunna tillämpas 

i industriella processer. 

(5)

I. “Facile  Preparation  Route  for  Nanostructured  Composites:  Surface‐

Initiated  Ring‐Opening  Polymerization  of  ε‐Caprolactone  from  High‐

Surface‐Area Nanopaper”, A. Boujemaoui,  L. Carlsson, E. Malmström,  M.  Lahcini,  L.  Berglund,  H.  Sehaqui,  and  A.  Carlmark,  ACS  Applied  Materials and Interfaces 2012, 4, 3191‐3198 

 

II. “Surface‐initiated  ring‐opening  polymerization  from  cellulose  model  surfaces monitored by a Quartz Crystal Microbalance”, L. Carlsson,  S. 

Utsel, L. Wågberg, E. Malmström,

 

and A. Carlmark, Soft Matter 2012, 8,  512‐517 

 

III. “Nanobiocomposites Adhesion: Role of Graft Length and Temperature  in  a  Hybrid  Biomimetic  Approach”,  N.  Nordgren,  L.  Carlsson,  H. 

Blomberg,  A.  Carlmark,  E.  Malmström,  and  M.  W.  Rutland,  Biomacromolecules 2013, 14, 1003‐1009 

 

IV. “Solid State NMR investigation of hydrolyzed cotton linters grafted by  surface‐initiated  ring‐opening  polymerization  of  ‐caprolactone”,  L. 

Carlsson, P. T. Larsson, T. Ingverud, H. Blomberg, A. Carlmark, and E. 

Malmström, Manuscript    

V. “Surface‐initiated  ring‐opening  metathesis  polymerisation  from  cellulose fibres”, L. Carlsson, E. Malmström,

 

and A. Carlmark, Polymer  Chemistry 2012, 3, 727‐733 

 

VI. “Modification  of  cellulose  surfaces  by  cationic  latex  prepared  by  RAFT‐mediated surfactant‐free emulsion polymerization” L. Carlsson,  A.  Fall,  I.  Chaduc,  L.  Wågberg,  B.  Charleux,  E.  Malmström,  F. 

D’Agosto, M. Lansalot, and A. Carlmark, Manuscript   

   

(6)

I. Part  of  the  experimental  work,  analyses,  and  minor  part  of  the  preparation of the manuscript. 

II. A  majority  of  the  experimental  work,  analyses,  and  most  of  the  preparation of the manuscript. 

III. Part  of  the  experimental  work,  analyses,  and  minor  part  of  the  preparation of the manuscript. 

IV. Part of the experimental work, part of the analyses, and most of the  preparation of the manuscript. 

V. All  the  experimental  work  and  analyses,  and  most  of  the  preparation of the manuscript. 

VI. All the experimental work, a majority of the analyses, and most of  the preparation of the manuscript. 

 

Scientific contributions not included in this thesis: 

VII. ʺAligned  Cellulose  Nanocrystals  and  Directed  Nanoscale  Deposition of Colloidal Spheresʺ, G. Nyström, A. Fall, L. Carlsson  and L. Wågberg, submitted 

 

VIII. ”Nano‐hybrid  self‐crosslinked  PDMA/silica  hydrogels”,  L. 

Carlsson,  S.  Rose,  D. Hourdet,  A. Marcellan,  Soft Matter  2010,  6, 

3619‐3631

(7)

 

AGU  anhydroglucose unit  AFM   atomic force microscopy 

AIBA  2,2′‐azobis(2‐methylpropionamidine)  dihydrochloride 

ATR  attenuated total reflectance  BCN   bacterial cellulose nanofibers  BET  Brunauer‐Emmett‐Teller 

CA  contact angle 

CCL  cellulose cotton linters 

‐CL  ‐caprolactone 

CMC  critical micelle concentration  CMS  cellulose microsphere  CNC  cellulose nanocrystals 

CP/MAS  cross‐polarized magic angle spinning  CNF  cellulose nanofibers 

CTPPA  4‐cyano‐4‐thio‐thiopropyl‐sulfanylthiocarbonyl  d

L

  lateral dimension 

Ð

M

  molar‐mass dispersity 

DCM  dichloromethane 

DLS  dynamic light scattering 

DMAEMA  N,N‐dimethyl aminoethylmethacrylate  DMAP  4‐(dimethylamino)pyridine 

DMF  N,N‐dimethylformamide 

DMSO  dimethyl sulfoxide   DP  degree of polymerization  DS  degree of substitution 

DS

BM

  bulk monomer degree of substitution  DS

SP

  particle‐surface degree of substitution  DSC   differential scanning calorimetry  DVS  dynamic vapor sorption 

FE‐SEM   field‐emission scanning electron microscopy  FRP  free radical polymerization 

FT‐IR  Fourier transform‐infrared 

HCCL  hydrolyzed cellulose cotton linters 

MAA  methacrylic acid 

(8)

NMMO  N‐methylmorpholine N‐oxide  NMR   nuclear magnetic resonance  PdI  polydispersity (DLS)  PEG  poly(ethylene glycol)  PET   polyelectrolyte titration 

PISA   polymerization‐induced self‐assembly  

PS  polystyrene 

PVAm   poly(vinyl amine) 

QCM   quartz crystal microbalance 

RAFT   reversible addition‐fragmentation chain transfer  RDRP   reversible‐deactivation radical polymerization  RH  relative humidity 

ROMP  ring‐opening metathesis polymerization  ROP  ring‐opening polymerization 

R

  surface roughness 

RT  room temperature 

SEC  size exclusion chromatography  SI  surface‐initiated 

Sn(Oct)

  tin 2‐ethylhexanoate  SSA  specific surface area 

TBD  1,5,7‐triazabicyclo[4.4.0]dec‐5‐ene  T

c

  crystallization temperature  TEM  transmission electron microscopy  TGA  thermogravimetric analysis  T

g

  glass transition temperature  Ti(OiPr)

4

  titanium i‐propoxide  Ti(OnBu)

4

  titanium n‐butoxide 

UV  ultraviolet 

X

c

  degree of crystallinity 

   

   

   

 

   

(9)

TABLE OF CONTENTS 

1.   PURPOSE OF THE STUDY 1  

2.   INTRODUCTION 2  

2.1     C

ELLULOSE

... 2  

2.1.1   Structure of cellulose ... 2  

2.1.2   Cellulosic substrates ... 4  

2.1.3   Surface modification of cellulose ... 6  

2.2

R

ING

-

OPENING POLYMERIZATION TECHNIQUES

... 9  

2.2.1   Ring-opening polymerization (ROP) ... 9  

2.2.2   Ring-opening metathesis polymerization (ROMP) ... 12  

2.3     R

EVERSIBLE ADDITION

-

FRAGMENTATION CHAIN

-

TRANSFER

(RAFT)

POLYMERIZATION

... 14  

2.3.1   RAFT-mediated surfactant-free emulsion polymerization ... 17  

2.3.1.1   Polymer-induced self-assembly ... 19  

2.4     S

URFACE MODIFICATION OF CELLULOSE BY COVALENT GRAFTING

... 21  

2.5     S

URFACE MODIFICATION OF CELLULOSE BY PHYSICAL ADSORPTION

... 23  

3.   EXPERIMENTAL 26   3.1     M

ATERIALS

... 26  

3.2     E

XPERIMENTAL PROCEDURES

... 27  

3.2.1   Cellulose surface modification by ring-opening polymerization ... 27  

3.2.2   Cellulose surface modification by ring-opening metathesis polymerization ... 28  

3.2.3   Synthesis of cationic latex nanoparticles ... 29  

3.2.3.1   Aqueous RAFT polymerization of DMAEMA ... 29  

3.2.3.2   RAFT-mediated surfactant-free emulsion polymerization of MMA . 30   3.2.3.3   Adsorption of cationic latex on cellulose model surfaces ... 31  

3.3     C

HARACTERIZATION METHODS

... 31  

3.3.1   QCM-D ... 31  

3.3.2   Colloidal probe AFM ... 32  

3.3.3   Solid state CP/MAS

13

C-NMR ... 32  

4.   RESULTS AND DISCUSSION 33   4.1     C

ELLULOSE SURFACE MODIFICATION BY COVALENT GRAFTING

... 33  

4.1.1   Cellulose surface modification by ring-opening polymerization ... 33  

4.1.1.1   SI-ROP of -CL from FP and NP. Comparison between Sn(Oct)

2

and

Ti(OnBu)

4

... 33  

(10)

4.1.1.3   PCL-grafted cellulose microspheres – Impact of graft length and temperature on interfacial adhesion – a study by colloidal probe by AFM ... 41   4.1.1.4   Solid state CP/MAS

13

C-NMR investigation of HCCL grafted by SI-

ROP of -CL ... 45   4.1.2 Cellulose surface modification by ring-opening metathesis

polymerization (ROMP) ... 50   4.2    

MODIFICATION OF

C

ELLULOSE SURFACES BY PHYSICAL ADSORPTION

... 53   4.2.1   Synthesis of cationic latex nanoparticles ... 53   4.2.1.1   RAFT-mediated surfactant-free emulsion polymerization of MMA . 54   4.2.2   Adsorption of cationic latex on cellulose model surfaces ... 57  

5.   CONCLUSIONS 61  

6.   FUTURE WORK 63  

7.   ACKNOWLEDGEMENTS 65  

8.   REFERENCES 67  

(11)

1.  PURPOSE OF THE STUDY 

The  interest  in  designing  and  developing  new,  more  environmentally  friendly  materials  from  cellulose  has  increased  immensely  in  the  last  years.  Cellulose  has  several  interesting  properties,  e.g.,  high  stiffness  and  low  density  compared  to  commonly  employed  glass  fibers,  but  cellulose  is  also  highly  hygroscopic,  as  a  result  of  the  large  number  of  hydroxyl  groups.  These  can  in  turn  be  readily  utilized  for  surface  modification;  hence,  the  cellulose  properties  can  be  tailored  and  new  functionalities  introduced,  improving  the  compatibility  with  non‐polar  polymer matrices for example.  

 

The  purpose  of  this  study  was  to  expand  the  toolbox  for  surface  modification of cellulose and thereby possibly increase the utilization of  cellulose‐based  materials.  Different  techniques  were  employed  to  achieve  a  better  fundamental  knowledge  of  surface  modification  by  polymers  and  its  effect  on  the  surface  properties.  Surface  modification  has been performed by covalent grafting and physisorption of polymers. 

The  polymers  have  been  synthesized  by  controlled  polymerization 

techniques.     

(12)

2. INTRODUCTION 

2.1 CELLULOSE 

Cellulose is one of our most abundant polymers on earth. The polymer  is  renewable,  biocompatible,  biodegradable,  and  inexpensive,  and  has  both interesting physical and chemical properties.

1, 2

 The cellulose fibers  have both low density and high strength. The modulus of the cellulose  crystal  is  138  GPa,  which  can  be  compared  to  steel  with  a  modulus  of  200  GPa.

3

  The  production  of  cellulose  is  mainly  performed  in  plants,  e.g., flax, hemp and jute.

4

  However, there are also several other sources  of  cellulose,  e.g.,  wood,  which  has  a  dry  content  of  40  %  cellulose.

5

  In  addition,  wood  contains  significant  amounts  of  lignin  and  different  types of hemicelluloses.

5

 Therefore, the cellulose needs to be isolated by  separation  from  the  other  components  prior  to  utilization.  Bacteria,  algae, and fungi can synthesize cellulose with high purity, crystallinity,  and  very  specific  morphologies  can  be  obtained.

6

  The  total  annual  production of cellulose is estimated to be over 7.5×10

10

 tons.

1

 

2.1.1 Structure of cellulose 

Cellulose  is  a  linear,  polydisperse  biopolymer;  exhibiting  an  advanced  hierarchical  structure  that  can  be  attributed  to  the  hydrogen  bonds  between the hydroxyl groups. The degree of polymerization (DP) varies  between 300–1,700 for wood fibers and 800–10,000 for cotton and other  plants, depending on origin and treatment of the cellulose raw material.

4

    

The cellulose fibers are located in the cell wall of plants and are built‐up 

of  aggregates  of  microfibrils,  see  Figure  1.  The  bundle  of  microfibrils 

contains 30–40 cellulose chains with different orientations and is formed 

by  extended  cellulose  macromolecules  that  are  organized  in  sheets  – 

with both crystalline and amorphous regions – which are stabilized by 

intra‐ and intermolecular hydrogen bonding.

4, 7

 

(13)

  Figure 1. Hierarchical structure of cellulose; from the tree on a macroscopic scale  down  to  the  cellulose  macromolecule  on  nanoscale  with  length  (L)  and  lateral  dimension  (d

L

).

4,  7

  The  schematic  picture  is  adopted  from  Isogai  et  al.

7  and 

Hansson

8

The biopolymer consists of β‐

D

‐glucosyl units that are linked together by 

‐1,4‐glycosidic  bonds.  Each  repeating  unit  in  cellulose  contains  two  anhydroglucose  units  (AGU).  The  AGU,  see  Figure  2,  has  three  hydroxyl  groups  with  a  primary  hydroxyl  group  at  the  carbon  6  (C6)  position and two secondary hydroxyl groups at the C2 and C3 positions,  respectively.  Every  second  repeating  unit  is  rotated  180°  in  the  plane. 

Cellulose  is  highly  hydrophilic  owing  to  the  numerous  hydroxyl  groups; however, the strong inter‐ and intramolecular bonding renders  cellulose insoluble in water. The exceptional mechanical properties and  the  lack  of  a  melting  point  can  also  be  ascribed  to  these  hydrogen  bonds.

9

 

 

Figure  2.  Numbering  of  the  carbon  atoms  in  a  repeating  unit  of  cellulose  (two  AGU) of the cellulose chain. 

O 1

4 5

O HO

OH 6

2 O 3

OH

O 1 4 5

HO

OH

6 2 O 3

OH

n

(14)

2.1.2 Cellulosic substrates  

Cellulose can be divided into groups depending on its crystal structure. 

The  naturally  occurring  cellulose  is  denoted  cellulose I  where  the  polymer  chains  are  organized  in  a  parallel  arrangement.  However,  by  treatment of cellulose I, the most thermally stable structure, cellulose II,  is obtained by change of the organization of the macromolecular chains  to  an  anti‐parallel  arrangement.  The  transformation  can  be  performed  by  conc.  alkali  aqueous  solution  or  by  regeneration  from  solutions  or  semi‐stable derivatives. Regenerated cellulose has a DP of 250–500. The  viscous  process  was  developed  over  100  years  ago  to  regenerate  cellulosic  fibers.

4

  This  technique  has  been  employed  to  produce  fibers,  films,  membranes,  sponges,  and  spheres.  However,  the  method  suffers  from  major  disadvantages  since  it  requires  hazardous  chemicals  and  only highly pure pulps can be utilized. An important breakthrough for  the regenerated fibers was the Lyocell process where the cellulose fibers  successfully were dissolved in N‐methylmorpholine N‐oxide  (NMMO)  and thereafter spun, forming regenerated fibers.

10

 In this process, almost  all employed solvents can be recycled and the environmental impact is  low.  By  employing  the  Lyocell  process,  Wågberg  et  al.

11,  12

  have  developed  cellulose  model  surfaces.  These  surfaces  are  smooth,  have  good stability in different solvents and the thickness of the films can be  tuned,  rendering  the  surfaces  suitable  for  high‐resolution  techniques,  such as atomic force microscopy (AFM) and quartz crystal microbalance  with dissipation (QCM‐D).

13

  

  

The  nanocelluloses  are  produced  by  disintegration  of  the  wood  fibers,  smaller  fibrils  can  be  liberated  which  increases  the  available  surface  area.

14

  For  a  summary  of  the  characteristics  for  the  most  common  nanocelluloses, see Table 1. Micrographs can be observed in Figure 3.  

 

 

Figure  3.  TEM  images  of  a)  CNF,

15

  b)  CNC,

16

  and  c)  SEM  image  of  BNC.

14

 

Reprinted with permission from (Klemm, D. et al., Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 

p. 5438‐5466). Copyright (2011) German Chemical Society. 

(15)

Table 1. CC

 

(16)

CNF and the other nanocelluloses are already commercialized in several  products, e.g., absorbent material in hygiene products, food additives,  cosmetics, and pharmaceuticals.

17

 CNF have recently been employed for  producing nanofoams,

18, 19

 hydrogels,

20

 nanopapers,

21, 22

 and aerogels

23

.   Cellulose  cotton  linters  (CCL)  are  short  (2–6 mm),  slightly  curled,  cylindrically  shaped  fibers  with  widths  of  17–27 μm.

24

  Furthermore,  CCL  possess  higher  crystallinity  and  smaller  lateral   dimensions  of  the   microfibrils compared to cellulose from wood fibers.

4

 High‐quality CCL  are  utilized  to  produce  Whatman  #1  filter  paper  which  has  a  high  cellulose content (> 98 %) and a crystallinity of 68 %.

25

  

2.1.3 Surface modification of cellulose 

The  first  patent  that  reported  surface  modification  of  cellulose  is dated  to the 1870’s. The fibers were reacted with nitrosulfuric acid (a mixture  of  nitric  and  sulfuric  acid)  to  form  cellulose  nitrate,  and  by  adding  a  plasticizer,  the  first  cellulose‐based  material,  celluloid,  was  produced.

4

  In  recent  years,  the  interest  and  utilization  of  cellulose  fibers  have  increased  tremendously  with  the  aim  to  create  new  and  sustainable  materials  developed  from  bio‐based  resources.

4, 6, 14, 26, 27

  It  is  possible  to  obtain renewable composites with lower density and cost comparing to  other  fillers  or  if  reinforcements,  such  as  glass  or  carbon  fibers,  are  employed.  Moreover,  a  cellulose‐based  composite  can  be  recyclable. 

Nanocelluloses with high crystallinity are of particular interest owing to  their  high  stiffness  that  can  reinforce  polymer  matrices.  The  extent  of  amorphous domains is depending on the pretreatment of the fibers. The  amorphous parts enhance the flexibility.

9

 

 

Cellulose  can  be  applicable  in  many  products;  recent  publications 

discuss  a  wide  range  of  exciting  areas,  e.g.,  inexpensive  electronics,

28‐30

 

paper‐based  medical  diagnostics,

31‐33

  functional  clothes,

34,  35

  and 

membranes

36, 37

.  However,  it  is  a  challenge  to  incorporate  and  disperse 

cellulose due to the incompatibility of the polar cellulose with non‐polar 

polymer matrices. Good compatibility is essential to draw benefits from 

the fibers as reinforcement. Furthermore, the hydrophilic character will 

most  probably  lead  to  moisture  adsorption  and  swelling  of  the 

composite. However, the available hydroxyl groups on cellulose can be 

employed  for  modifications  as  they  can  act  as  chemical  handles.  The 

number  of  available  hydroxyl  groups  can  be  tuned  by  different 

(17)

pretreatment  methods.  For  example,  with  mercerization,  i.e.,  treatment  with  a  strong  base  followed  by  neutralization,  the  amount  of  hydroxyl  groups  is  increased  by  breaking  the  hydrogen  bonds,  resulting  in  swelling of the cellulose structure and, thus, increased surface area and  strength is achieved. Still, it should be taken into consideration that the  mechanical  properties  of  cellulose  may  be  affected  upon  breakage  of  intermolecular hydrogen bonds.

4

  

 

Surface  modification  of  cellulose  can  be  performed  by  physical  treatments such as solvent exchange, physico‐chemical modifications by  corona  or  plasma  discharges,  laser,  UV‐  or  γ‐irradiation,  or  physical  adsorption.  Chemical,  i.e.,  covalent,  modification  is  performed  by  attachment  of  small  molecules  or  polymers.

26, 27, 38‐44

  The  different  types  of modifications can also be combined. 

Traditionally,  surface  modification  of  cellulose  by  small  molecules  has  been the most utilized technique to introduce various functionalities on  the surface. Anhydrides, isocyanates, organometallics, sulfates, and acid  chlorides  are  examples  of  molecules  that  successfully  have  been  employed  to  obtain  functional  groups  on  the  fiber  surface.

6,  26,  27,  38,  45‐47

  Cellulose esters and ethers are the most common examples of cellulose  derivatives.  The  water‐  or  organo‐soluble  derivatives  are  obtained  by  substitution of the hydroxyl groups. Cellulose acetate, the most common  ester,  is  produced  by  reaction  with  acetic  anhydride  in  the  presence  of  sulfuric  acid  as  catalyst.  Cellulose  esters  have  thermoplastic  properties  which are influenced by the carbon number of the acyl residues. Water‐

soluble  cellulose  ethers  are  formed  by  alkaline  treatment  and  subsequent substitution of an alkyl halide or addition to an oxirane.

4

   

Free‐radical polymerization (FRP) of vinyl monomers have successfully  been performed from the cellulose backbone.  The initiating radicals can  be formed by hydrogen abstraction (chain transfer), by employing redox  systems  or  by  utilizing  substituents  that  can  form  radicals  or  polymerize.

48, 49

  However,  due  to  poor  control  it  is  impossible  to  tailor  the molecular structure or the molar mass by FRP. Other drawbacks can  be  the  possible  occurrence  of  chain  scission  of  the  cellulose  backbone,  which  may  influence  the  strength  of  the  final  material

50

,  as  well  as  unattached polymer formed in the bulk

51

Modification  of  cellulose  by  grafting  polymer  chains  from  its  surface 

enables  alteration  of  both  the  physical  and  chemical  properties  and 

(18)

could  potentially  introduce  other  functionalities.

41‐44,  52‐54

  The  two  most  commonly  employed  grafting  techniques  are  ‘grafting‐from’  and 

‘grafting‐to’,  see  Figure  4.  In  the  ‘grafting‐from’ method  the  polymer  is  formed  by  propagation  of  monomer  from  initiating  species  (reactive  centers)  on  the  surface,  i.e.,  surface‐initiated  (SI)  polymerization.  In  order to fully characterize the properties of the grafted polymer chains,  cleavage of the chains and subsequent isolation is necessary. This can be  performed by acid hydrolysis, which decomposes cellulose, leaving the  polymer  grafts  intact.  Nevertheless,  this  method  cannot  be  applied  for  polymers containing hydrolytically sensitive groups.

44, 55

 To characterize  the  grafted  polymer  without  cleaving  it  from  the  surface  is  a  great  challenge; therefore, the ‘grafting‐to’ technique can be preferable. 

 

  Figure  4.  Schematic  illustration  of  the  ‘grafting‐from’  and  the  ‘grafting‐to’ 

technique.   

In  the  ‘grafting‐to’  technique,  pre‐formed  polymers,  with  an  active  chain‐end that can attach covalently with reactive centers present on the  cellulose  surface.  Recently,  polymers  with  two  active  chain‐ends  have  been  reported,  which  enables  further  post  modification  of  the  grafted  preformed  polymer.

1,  6

  An  advantage  by  employing  the  ‘grafting‐to’ 

technique  is  the  possibility  of  characterizing  the  pre‐formed  polymers, 

molar  mass  and  the  molar‐mass  dispersity  (Ð

M

)  prior  to  the  surface 

attachment.  However,  previous  studies  have  shown  that  covalent 

(19)

surface modification by ‘grafting‐from’ enables higher grafting densities  due to less sterical hindrance of monomers compared to when large and  bulky  pre‐polymers  are  coupled  to  the  surface.

1,  42,  52,  53

  Nevertheless,  there are some reports in the literature where similar grafting densities  have been obtained by the ‘grafting‐to’ approach.

56‐58

  

2.2 RING‐OPENING POLYMERIZATION TECHNIQUES 

Ring‐opening  polymerization  (ROP)  and  ring‐opening  metathesis  polymerization  (ROMP)  are  two  techniques  that  are  suitable  for  SI  polymerizations.

59

  These  techniques  are  widely  utilized  for  polymerization  of  cyclic  monomers.  The  polymerization  mechanism  involves  three  reaction  steps:  initiation,  propagation,  and  termination. 

The employed initiator varies depending on the technique applied and  the  ring‐opening  of  the  cyclic  monomer  occurs  during  the  propagation  step in presence of a catalyst. Undesired termination may occur by inter‐ 

or  intramolecular  chain  transfers.  Intermolecular  chain  transfers  occur  between  different  chains  whereas  intramolecular  chain  transfers  (back‐

biting)  occurs  within  the  polymer  chain,  forming  cyclic  oligomers.  The  chain  transfer  reactions  will  give  rise  to  deviation  from  the  targeted  degree of polymerization (DP) and increase the Ð

M

.   

2.2.1 Ring‐opening polymerization (ROP)  

ROP,  developed  in  the  1930’s  by  Carothers  et  al.

60

,  providing  macromolecules  with  well‐defined  end‐groups  and  high  molar  mass. 

Since then, numerous cyclic monomers such as lactones, lactides, cyclic  carbonates, siloxanes, and ethers have been polymerized employing this  technique.

61

  The  ease  of  polymerization  of  the  cyclic  monomers  can  be  attributed to both kinetic and thermodynamic factors. The presence of a  heteroatom (oxygen, nitrogen, sulfur, etc.) in the ring facilitates the ring‐

opening  via  a  nucleophilic  or  electrophilic  attack  of  the  initiator. 

Moreover,  the  reactivity  of  the  monomers  can  be  attributed  to  the  ring  size,  i.e.,  thermodynamic  stability  decreases  reactivity  due  to  unwillingness to change state.

62

  

Poly(‐caprolactone)  (PCL)  is  an  aliphatic  polyester,  and  its  physical, 

mechanical and thermal properties are dependent on the molar mass.

63

 

PCL possesses advantages such as good miscibility with other polymers, 

biodegradability  and  biocompatibility.  The  utilized  catalyst  system 

(20)

determines  whether  an  anionic,  a  cationic,  monomer‐activated  or  coordination‐insertion  mechanism  occurs.

63

  Several  different  catalytic  systems  have  been  explored;  metal‐based,  organic  or  enzymatic.

63‐66

  Three  examples  of  catalysts  are:  the  metal‐based  stannous  2‐

ethylhexanoate  (Sn(Oct)

2

),  titanium  n‐butoxide  (Ti(OnBu)

4

),  and  the  organic 1,5,7‐triazabicyclo[4.4.0]dec‐5‐ene (TBD).  

 

Scheme  1.  ROP  of  ‐CL  by  coordination‐insertion  mechanism  employing  Sn(Oct)

2

 as catalyst and an alcohol  initiator (R‐OH).  

The  most  commonly  utilized  catalyst  is  Sn(Oct)

2

,  owing  to  its  excellent  performance,  good  thermostability,  low  cost,  reasonably  low  toxicity,  and  approval  in  food  and  drug  applications  (FDA  approved).

67

  The  proposed  mechanism  for  Sn(Oct)

2  

is  coordination‐insertion  reaction,  as  presented  in  Scheme  1.  The  initiation  is  divided  into  two  steps  ‐  formation  of  a  metal  oxide  alkoxide  (Oct‐Sn‐O‐R)  from  the  catalyst  (Sn(Oct)

2

)  and  the  initiator  (R‐OH)  which  subsequently  initiates  the  polymerization  of  monomer  by  the  coordination‐insertion  mechanism  through coordination of the monomer to the catalyst and insertion of the  monomer into a metal‐oxygen bond of the catalyst. The metal alkoxide  remains  as  the  active  center  throughout  all  the  polymerization. 

However, there are some drawbacks of this catalyst system ‐ intra‐ and  intermolecular transesterification reactions may occur which will lead to  broader molar‐mass dispersities and deviations from the targeted molar  mass. The extent of the undesired termination reactions is dependent on  the  temperature  and  the  monomer  conversion.

68

  Another  drawback  is  the  difficulty  in  removing  the  catalyst,  and  the  presence  of  tin  in  biomedical  or  food  applications  is  highly  undesirable;  therefore,  other  catalyst systems are of prime importance. Hence, in recent years, a lot of 

HO Sn O O R-O

O O

H R-O

O- O

Sn O O

R-O

O O

O

O Sn OR

O O

O

O Sn OR

O O

O

HO

O

O Sn OR OH

R O

O Sn

O

O tin 2-ethylhexanoate

(Sn(Oct)2)

+ +

Coordination Insertion

1. n e-CL 2. H

n +

+

poly(caprolactone) PCL ε-CL

Preinitiation

Initiation

Propagation

Oct-Sn-O-R Oct-H

Oct-Sn-OR Oct-Sn-OR

Sn O O

(21)

research  has  been  conducted  to  find  new,  more  environmentally  friendly  and  less  toxic  catalysts  for  ROP.

63, 65, 66, 69, 70

  This  has  resulted  in  development of both new metal‐based

71

 and organic catalysts

65

 for ROP. 

In  2010,  Pärssinen  et  al.

72

  utilized  titanium  i‐propoxide  (Ti(OiPr)

4

)  and  titanium n‐butoxide (Ti(OnBu)

4

), for ROP in air atmosphere at elevated  temperatures,  70–140  °C.  The  chemical  structure  of  Ti(OnBu)

is  presented in Figure 5. An advantage with those catalysts is the non‐toxic  degradation products, titanium oxide and alcohol, which are approved  for  internal  use  in  humans.

72

  They  report  open‐air  systems  requiring  higher  temperatures  (140  °C)  for  efficient  initiation  attributed  to  decreasing  water  content.  However,  after  initiation  the  reaction  temperature  could  be  decreased  slightly  over  the  melting  temperature  for  PCL  (~60  °C).

73

  Noteworthy,  Ð

M

  was  quite  high  and  the  values  varied from 1.5–2, however, by 

1

H‐NMR it was confirmed that the PCL  was only formed from one of the arms in the catalyst.  

 

ROP  has  also  been  performed  by  employment  of  enzymatic  catalysts  which  enables  mild  reaction  conditions.

66

  Several  different  catalyst  systems,  employing  amino  acids  and  small  organic  molecules  for  ROP  of  cyclic  lactones,  have  also  been  reported  as  successful.

63,  70,  74,  75

  Furthermore,  Hedrick  et  al.

76

  have  developed  efficient  organo‐catalysts  that  enable  polymerization  at  room  temperature  with  good  accordance  between  theoretical  and  experimental  molar  mass,  and  narrow  molar‐

mass  dispersities.  An  example  is  1,5,7‐triazabicyclo[4.4.0]dec‐5‐ene  (TBD), which polymerizes by the dual activation mechanism, including  both monomer and initiator in a transition state with the catalyst.

76

   

  Figure 5. Different catalysts employed for ROP. 

SI‐ROP  has  been  widely  utilized  for  surface  modification  of  different  substrates, e.g., silica and gold surfaces by self‐assembled monolayers,

77

  clay  minerals,

78

  nanoparticles  of  silica  and  cadmium  sulfide,

79

  magnetite,

80

    and  a  wide  range  of  different  cellulosic  substrates,

43

  and  more recently, in ionic liquids 

75

.  

N N

NH O

O Sn

O

O

Ti O

O O n-Bu

O n-Bu

n-Bu n-Bu

tin 2-ethylhexanoate (Sn(Oct)2)

1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene (TBD)

titanium n-butoxide (Ti(On-Bu)4)

(22)

2.2.2 Ring‐opening metathesis polymerization (ROMP) 

ROMP  has  had  a  large  impact  in  both  organic  and  polymer  chemistry  for  olefin  metathesis  over  the  last  decade.

81‐83

  The  polymerization  technique is a chain growth process where mono‐, bi‐ or polycyclic rings  are opened and converted into a polymeric material.

81

 In 1957, Eleuterio  et al.

84

 at DuPont were the first to patent this technique. In 1960, Truett et  al.

85

  reported  the  first  polymerization  of  norbornene  (bicyclo[2.2.1]heptane)  (NBE)  by  ROMP.  The  ring‐opening  mechanism  of norbornene was confirmed by Dall’Asta et al.

88, 89

 in the beginning of  the 1970s. The monomer and polymer structure can be seen in Figure 6. 

ROMP is a highly interesting polymerization technique since high molar  mass polymers with narrow molar‐mass dispersities can be obtained in  short  reaction  times  and  under  mild  reaction  conditions.  Moreover,  preserved  double  bonds  in  the  polymer  backbone  enable  facile  post  modification. 

 

Figure 6. Molecular structure of norbornene (NBE), and the repeating unit of the  corresponding polymer poly(norbornene) (PNBE). To polymerize NBE, Grubbs  1

st

 generation catalyst is often utilized. 

Initially, ROMP required stringent reaction conditions including the use  of  highly  pure  reagents  and  the  total  exclusion  of  water,  oxygen  and  other functional groups. However, owing to the Noble Prize laureates in  Chemistry in 2005 – Schrock

86

 and Grubbs

87

 – and their development of  less  sensitive  catalysts  for  ROMP,  the  interest  for  the  polymerization  technique has increased remarkably due to the increased stability of the  catalysts  and,  thus,  a  wider  range  of  polymerizable  monomers  with  functional  groups  etc.

81,  88

  Grubbs  developed  ruthenium  alkyl  carbene 

n

Ru P

Cl P

Cl Ph

norbornene

(NBE) polynorbornene

(PNBE) Grubbs' 1st generation

catalyst

(23)

that are efficient initiators with high activity for polymerization of NBE  and  substituted  NBEs.

89

  In  addition  to  organic  systems,  these  catalysts  can also be employed in aqueous systems for metathesis.

90

  

 

The ROMP mechanism of NBE is based on olefin metathesis where the  ring‐opening  occurs  at  the  most  stable  site  of  the  monomer,  i.e.,  the  double bond, see Scheme 2. 

 

Scheme 2. Schematic overview of the ROMP process. 

 

The critical step upon propagation is the formation of the intermediate  metallocyclobutane  by  coordination  of  the  NBE  by  the  catalytic  metal  center  of  the  carbene  complex,  followed  by  [2+2]  cyclo‐addition  where  the  propagating  species  is  formed.  The  metal  atom  separates  from  the  olefin  bond  by  a  cyclo‐reversion.

82

  Commonly,  trans‐vinylene  units  are  formed  during  ROMP  of  NBE  when  Grubbs  catalysts  are  employed. 

Undesired secondary metathesis reactions lead to termination and occur  by  intra‐  or  intermolecular  chain  transfer,  yielding  polymers  with  broader molar‐mass dispersities and ill‐defined end groups. The extent  of  the  termination  reactions  is  dependent  on  many  parameters,  e.g.,  bulkiness  of  the  monomer,  temperature,  monomer  concentration,  and  solvent.

83

 

 

The  pioneer  work  of  SI‐ROMP  from  a  gold  surface  by  the  ruthenium‐

based  Grubbs’  1

st

  generation  catalyst  was  performed  by  Grubbs  et al.

91

   in 1999. Thereafter, numerous substrates have been surface‐modified by  SI‐ROMP,  e.g.,  silicon  wafers,

92

  quartz,

93

  Wang  resins,

94

  silica  nanoparticles,

95

 carbon nanotubes,

96

 gold,

97

 clay,

98

 and cellulose

99

LnM R

LnM R

LnM

LnM R

LnM R

LnM R

m

LnM R

m+2

LnM

R m+2

X=Y MLn=X Y R

m+2 coordination

metal alkyldiene

metallacyclobutane

Termination:

Propagation:

Initiation:

[2+2]

(24)

2.3 REVERSIBLE ADDITION‐FRAGMENTATION CHAIN‐

TRANSFER (RAFT) POLYMERIZATION 

During  the  last  years,  much  work  has  been  conducted  in  the  field  of  polymer synthesis with the aim to design well‐defined macromolecular  structures  with  narrow  Ð

and  end‐group  functionalities.

100

  Tailored  polymers  can  be  synthesized  by  reversible‐deactivation  radical  polymerization  (RDRP)  techniques.  The  most  commonly  employed  RDRP techniques includes nitroxide mediated polymerization (NMP),

101

  atom  transfer  radical  polymerization  (ATRP),

100,  102

  and  reversible  addition‐fragmentation  chain  transfer  (RAFT)

103,  104

.  Among  those  techniques, RAFT is the most recently developed and probably the most  versatile.

105,  106

  The  RAFT  technique  has  versatility  for  numerous  different  monomers  and  polymerization  can  be  conducted  in  a  wide  range  of  reaction  media,  organic  solution,  aqueous  solution,  or  in  dispersed  phase.

107,  108

  Therefore,  this  technique  has  been  extensively  employed  for  controlled  polymerization  of  both,  hydrophilic  and  hydrophobic  monomers.

104,  106,  108,  109

  Moreover,  a  good  control  of  the  macromolecular  structure  was  achieved  and,  as  the  RAFT  chain‐end  was  preserved  to  a  large  extent,  facile  post‐functionalization  could  be  performed of the polymers.

100, 106, 107

 In a review on RAFT, Moad et al.

104

more than 700 publications from the middle of 2009 until the beginning  of  2012  was  cited,  which  demonstrate  the  intense  ongoing  research  in  this field.  

 

RAFT  polymerization  includes  the  same  steps  as  classical  free  radical  polymerization  (FRP):  initiation,  propagation  and  termination. 

However, in a RAFT system the termination reactions are suppressed by  fast chain‐transfer. The polymerization starts from radical initiators that  are  activated  in  a  classical  manner,  either  by  heating,  redox,  photochemistry, UV‐ or gamma irradiation. The addition of an external  source of radicals is required to initiate polymerization and maintain the  rate  of  polymerization.

105

  However,  RAFT  polymerization  is  a  more  sophisticated technique compared to FRP and the control is provided by  degenerative (i.e., thermodynamically neutral) chain transfer, involving  transfer  of  an  atom  or  a  group  from  a  covalently  bond  and  dormant  species  (i.e.,  the  chain  transfer  agent,  RAFT‐agent)  to  the  active  chain  end. The RAFT agent, see Figure 7, is composed of an activating group 

“Z”  and  a  good  free  radical  leaving  group,  “R”.  The  RAFT  agent 

(25)

provides  control  of  the  polymerization  and  should  be  present  in  large  excess to the initiator

103, 104, 110

 to suppress irreversible termination of the  active, propagating chains.

102, 103, 109

 

Figure  7.  An  example  of  a  RAFT  agent,  the  thiocarbonylthio  chain  transfer   

agent.

105

 

The  mechanism  of  RAFT  polymerization  employing  the  thiocarbonylthio  RAFT‐agent  is  presented  in  Scheme  3.  In  the  initial  step, a free radical, I

·

, is formed which propagates with monomer units,  M. This is followed by the pre‐equilibrium step which occurs as soon as  the  RAFT‐agent  reacts  with  the  radical  in  the  propagating  oligomer,  (P

n·

). The radical position is then transferred to the RAFT‐agent, forming  a  relatively  stable  (dormant)  specie.  Further,  the  radical  is  either  trans‐

ferred back to the propagating oligomer, which enables propagation, or  to the R‐group. In this case, the R‐group will act as an initiator, and start  adding  monomer  units  (P

m

),  until  it  goes  back  to  the  dormant  side  by  reacting with the RAFT‐agent. This process is fast which is vital for the  control and, hence, the main equilibrium should be reached early in the  process. The rate constants are strongly dependent on the Z‐group. The  thiocarbonylthio  groups  are  highly  efficient  RAFT  agents,  which  is  of  high importance to obtain a good control of the polymerization. 

Z

S S R

(26)

Scheme  3.  Mechanism  of  RAFT  polymerization  by  employing  the  thiocarbonylthio RAFT agent.  

 

The  versatility  of  the  RAFT  technique  has  permitted  a  wide  range  of  monomers  for  polymerization,  for  instance,  acrylates,  methacrylates,  and  vinyl  acetate.

104,  111,  112

  However,  the  environmental  consciousness  has  increased  and  in  this  context,  water  is  the  preferred  reaction  medium  not  only  due  to  economic  reasons  but  also  for  environmental  and  health  aspects.

106

  Hence,  polymerization  of  water‐soluble  monomers, such as N,N‐dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA),  has  gained  significant  attention.  The  structure  of  the  monomer,  DMAEMA,  and  corresponding  polymer  PDMAEMA  are  shown  in  Figure 8.  

 

Figure  8.  Molecular  structure  of  N,N‐dimethyl  aminoethylmethacrylate  (DMAEMA)  and  the  repeating  unit  of  the  corresponding  polymer,  P(DMAEMA).  

Initiation

Initiator I M M

Pn Initialization/pre-equilibrium

Pn M kp

Z S S

R kadd k-add

S S

Z R Pn

kb k-b

S S

Z R

Pn +

Reninitiation

R M

Pm Main equilibrium

Pm M kp

Z S S

Pn kaddP k-addP

S S

Z Pn Pm

kaddP k-addP

S S

Z Pn Pm

M kp Termination

Pn+Pm kt

Dead polymer

+ +

+

kd ki

M kp kp P1

kiR

M M

kp kp P1

O

N O

DMAEMA

O

N O

PDMAEMA

n

(27)

The  polymer  is  both  thermo‐  and  pH‐responsive.  Stimuli‐responsive  polymers  can  change  conformation,  properties  and  interactions  in  response  to  external  stimuli,  e.g.,  switching  from  hydrophilic  to  hydrophobic.

113

 The molar mass of the polymer influence the responsive  properties.

114

  Hence,  they  are  interesting  for  a  wide  range  of  applications.

115

  PDMAEMA  has  been  employed  in  biological  applications,  for  antibacterial  activity,

116, 117

  gene  delivery,

118

    as  well  as  other  fields,  e.g.,  waste‐water  treatment,

119

  and  paints

120

.  It  is  the  polar  tertiary  amine  side‐chain  group  that  offers  water  solubility  and,  if  desired,  can  be  charged  either  when  below  its  pK

a

  value  (close  to  7.5,  slightly  chain  length  dependent)

114

  or  irreversibly  charged  by  quaternization.  However,  there  are  few  earlier  investigations  available  where DMAEMA has been polymerized in aqueous media by ATRP

121, 

122

 or by RAFT

123

.   

Surface‐initiated  RAFT  (SI‐RAFT)  has  been  performed  from  numerous  surfaces, for instance, gold nanoparticles,

124

 silica nanoparticles,

125

 silicon  wafers,

126

 proteins,

127

 and various cellulose surfaces

52, 55, 128, 129

.  

2.3.1 RAFT‐mediated  surfactant‐free  emulsion  polymerization 

RAFT  polymerization,  enables  development  and  design  of  new,  advanced  and  tailored  macromolecular  architectures,  both  for  homo‐ 

and  block  copolymers.

100

  Amphiphilic  block  copolymers,  composed  of  both a hydrophilic and a hydrophobic block,

130‐132

 are highly interesting  in  applications  such  as  compatibilizers.  However,  the  synthesis  of  amphiphilic  block  copolymers  is  demanding  due  to  the  difference  in  polarity between the blocks which typically causes at least two (or more)  steps,  including  thorough  purification.  The  synthesis  of  block  copolymers can be performed by various methods; two examples can be  seen in Figure 9.  

   

(28)

 

  Figure 9. Synthesis of block copolymers in a two‐step process by a) by coupling  two pre‐formed macromolecular chains together or b) first forming a block with  living  chain‐ends  that  can  be  employed  to  initiate  the  growth  of  the  second  block.  

Previously,  the  RDRP  techniques  have  primarily  been  performed  in  organic  solvents  or  bulk.  However,  the  interest  in  the  field  of  aqueous  dispersions  has  increased  tremendously.

133, 134

  All  the  RDRP  techniques  have  successfully  been  employed  in  dispersion.

135

  RAFT  has  thus  far  been  the  most  successful  technique  for  water‐borne  systems.

134,  136

  By  employing  dispersed  systems,  nanoparticles  (d = 20 nm–10 μm)  with  different morphologies (core‐shell particles, hollow particles or complex  multilayer structures) are formed which may be interesting for various  applications, see Figure 10.

133

 

 

  Figure 10. P(MAA‐co‐PEOMA)‐b‐polystyrene amphiphilic block copolymer self‐

assemblies.

137

 Reprinted with permission from (Zhang, W. et al., Macromolecules  2012, 45, p. 4075‐4084). Copyright (2012) American Chemical Society.

 

Classical emulsion polymerization has been employed to a large extent 

in industry since volatile organic solvents can be avoided, a wide range 

of  monomers  can  be  utilized  and  this  technique  enables  processing  at 

high  solid  content  without  any  influence  on  the  viscosity.

134

  The 

technique  requires  employment  of  an  organo‐soluble  monomer,  a 

water‐soluble  initiator  and  a  surfactant.  The  three  regimes  of  emulsion 

polymerization are demonstrated in Scheme 4.  

(29)

Interval  I:  Initially,  an  emulsion  polymerization  system  consists  of  a  dispersion  of  monomers  in  an  aqueous  phase.  The  initiation  always  takes place in the aqueous phase. Thereafter, two different mechanisms  may occur, micellar nucleation or homogeneous nucleation, depending  of the concentration of the surfactant. The monomer is entrapped in the  micelles  if  the  concentration  of  surfactant  is  above  the  critical  micelle  concentration  (CMC).  During  the  nucleation,  particles  are  formed  wherein the polymerization will proceed. 

Interval II: During the second interval, the polymerization is proceeding  in the particles. The growing particles are constantly fed with monomer  by  diffusion  from  the  droplets  through  the  aqueous  phase  into  the  particles. The particles are increasing in size during the polymerization. 

However,  the  number  of  particles  and  the  polymerization  rate  are  constant  throughout  the  process.  When  the  monomer  droplets  are  consumed, the third interval starts. 

Interval  III:  The  residual  monomers  in  the  particle  and  in  the  aqueous  phase  are  consumed.  At  the  end  of  interval  III,  the  polymerization  is  terminated.  

 

  Scheme  4.  Schematic  illustration  of  intervals  in  an  emulsion  polymerization,  adopted from Zhang.

138

 

 

2.3.1.1 Polymer‐induced self‐assembly 

More  recently,  the  development  of  RAFT‐mediated  emulsion 

polymerization  has  led  to  the  aqueous  synthesis  of  amphiphilic  block 

copolymers, which self‐assemble to form polymer particles according to 

the  polymerization‐induced  self‐assembly  (PISA)  strategy  as  originally 

described by Hawkett et al.

139‐141

 The PISA process has successfully been 

employed  for  all  three  RDRP  techniques.

134,  140

  In  the  RAFT‐mediated 

(30)

PISA process, it is crucial to choose a suitable RAFT agent that provides  good  control

 

over  formation  of  both  blocks  when  synthesizing  block  copolymers.

107

  Recently,  new  RAFT  agents  have  been  developed  that  can  be  employed  for  polymerization  of  both  hydrophilic  and  hydrophobic monomers, where the first formed hydrophilic polymer is  utilized  as  a  macroRAFT  for  formation  of  the  second  hydrophobic  block.

133

 The macroRAFT is acting as an electrosteric surfactant as it both  functionalizes  the  surface  of  the  particles  and  controls  the  particle  growth,  see  Scheme  5.  No  additional  low  molar‐mass  surfactant  is  required,  which  is  highly  advantageous  since  the  low  molar  mass  surfactants  have  an  undesired  impact  on  the  latex  stability  under  freezing conditions and diffusion upon film formation.

142

  

 

  Scheme 5. An overview of the PISA process. Adapted from Chaduc.

143

 

In Figure 11 , the structure of a thiocarbonylthio RAFT agent,  4‐cyano‐4‐

thiothiopropylsulfanylthiocarbonyl  (CTPPA)

142

  is  shown,  which  is  obtained  by  reacting  the  radical  initiator,  4,4′‐Azobis(4‐cyanovaleric  acid)  with  bis(propylsulfanylthiocarbonyl)  disulfide  according  to  the  literature.

144,  145

  CTPPA  permits  polymerization  in  water  despites  its  insolubility in water, as it is soluble in many hydrophilic monomers.

142, 

146‐151

   

References

Related documents

They used two different approaches for creating emulsions, starting from a cellulose solution in the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMAc), namely: (1)

The molecular weight of cellulose in solution after different ageing times was assessed by means of size exclusion chromatography, while the in- terfacial tension between oil

• Page ii, first sentence “Akademisk avhandling f¨ or avl¨ agande av tek- nologie licentiatexamen (TeknL) inom ¨ amnesomr˚ adet teoretisk fysik.”. should be replaced by

The results of the present thesis have shown that material chemistry is decisive for the outcome of bone regeneration inside ceramic scaffolds manufactured by Free Form

NMMO at 125 °C, which resulted in a browning of the solutions, roto-evaporation at 90 °C was instead used to dissolve the cellulose. The dry roughness was 3.5-5.4, the wet

In this work, the aggregation in bulk solution of cellulose ethers, when increasing the temperature in small steps from below to above the transition temperatures, was followed

Surface modifications of different types of cellulose substrates were accomplished either through covalent grafting of polymers or physical adsorption of block copolymers.. Kraft

General observations from the DRIFTS spectra are that horse manure and rice husk chars are rich in oxygen functional groups, olive and raphia farinifera char are balanced in