• No results found

IN  T HI

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "IN  T HI"

Copied!
78
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

P

I

 

som  med  ti offentlig  gr maj  2010,  k försvaras på de Ciencia y   

     

P OLYM

IN  T HI

illstånd  av  K ranskning  fö kl 10.00  i  sal  å engelska. F

Tecnología de

MER  N

IN  F ILM

Linda

AKADEM

Kungliga  Tek ör  avläggand

D1,  Lindste Fakultetsopp e Polímeros (I

   

N ANOC

M  A PP

      a Fogelst

     

MISK AVHAN   kniska  högsk de  av  teknisk dtsvägen 17, ponent: Profe ICTP‐CSIC), M

 

COMPO PLICAT

tröm 

NDLING 

kolan  i  Stock k  doktorsexa ,  KTH,  Stock essor José M Madrid, Span

OSITES  

TIONS  

kholm  framl amen  fredag kholm.  Avha M. Kenny från

nien. 

lägges  till  gen  den  7  andlingen  n Instituto 

(2)

                                             

Copyright © 2010 Linda Fogelström  All rights reserved 

   

Paper I © 2006 Elsevier B.V.  

Paper V © 2008 Elsevier B.V. 

   

TRITA‐CHE‐Report 2010:12  ISSN 1654‐1081 

ISBN 978‐91‐7415‐615‐7 

(3)

A BSTRACT  

The introduction of a nanoscopic reinforcing phase to a polymer matrix offers  great possibilities of obtaining improved properties, enabling applications outside  the boundaries of traditional composites.  

The  majority  of  the  work  in  this  thesis  has  been  devoted  to  polymer/clay  nanocomposites  in  coating  applications,  using  the  hydroxyl‐functional  hyperbranched  polyester  Boltorn®  as  matrix  and  montmorillonite  clay  as  nanofiller.  Nanocomposites  with  a  high  degree  of  exfoliation  were  readily  prepared  using  the  straightforward  solution‐intercalation  method  with  water  as  solvent.  Hard  and  scratch‐resistant  coatings  with  preserved  flexibility  and  transparency were obtained, and acrylate functionalization of Boltorn® rendered a  UV‐curable system with similar property improvements. In order to elucidate the  effect of the dendritic architecture on the exfoliation process, a comparative study  on  the  hyperbranched  polyester  Boltorn®  and  a  linear  analogue  of  this  polymer  was  performed.  X‐ray  diffraction  and  transmission  electron  microscopy  confirmed  the  superior  efficiency  of  the  hyperbranched  polymer  in  the  preparation of this type of nanocomposites. 

Additionally,  an  objective  of  this  thesis  was  to  investigate  how  cellulose  nanofibers  can  be  utilized  in  high  performance  polymer  nanocomposites.  A  reactive  cellulose  “nanopaper”  template  was  combined  with  a  hydrophilic  hyperbranched  thermoset  matrix,  resulting  in  a  unique  nanocomposite  with  significantly  enhanced  properties.  Moreover,  in  order  to  fully  utilize  the  great  potential  of  cellulose  nanofibers  as  reinforcement  in  hydrophobic  polymer  matrices,  the  hydrophilic  surface  of  cellulose  needs  to  be  modified  in  order  to  improve the compatibility. For this, a grafting‐from approach was explored, using  ring‐opening  polymerization  of  ε‐caprolactone  (CL)  from  microfibrillated  cellulose  (MFC),  resulting  in  PCL‐modified  MFC.  It  was  found  that  the  hydrophobicity of the cellulose surfaces increased with longer graft lengths, and  that  polymer  grafting  rendered  a  smoother  surface  morphology.  Subsequently,  PCL‐grafted  MFC  film/PCL  film  bilayer  laminates  were  prepared  in  order  to  investigate the interfacial adhesion. Peel tests demonstrated a gradual increase in  the interfacial adhesion with increasing graft lengths. 

   

(4)

Tillförandet av en förstärkande fas i nanostorlek till en polymermatris innebär  stora  möjligheter  till  egenskapsförbättringar,  vilket  möjliggör  användande  utanför ramarna för traditionella kompositer. 

Majoriteten  av  arbetet  i  denna  avhandling  har  tillägnats  polymer/lera‐

nanokompositer  i  lackapplikationer,  i  vilka  den  hydroxyl‐funktionella  hyper‐

förgrenade  polyestern  Boltorn®  har  använts  som  matris  och  montorillonit‐lera  som nanofyllmedel. Nanokompositer med hög grad av exfoliering kunde relativt  enkelt  framställas  genom  att  använda  den  okomplicerade  lösningsmedels‐

interkaleringsmetoden,  med  vatten  som  lösningsmedel.  Hårda  och  reptåliga  lacker  med  bevarad  flexibilitet  och  transparens  erhölls  och  akrylat‐

funktionalisering  av  Boltorn®  gav  ett  UV‐härdbart  system  med  liknande  egenskapsförbättringar. För att klarlägga vilken effekt den dendritiska strukturen  har  på  exfolieringsprocessen,  gjordes  en  jämförelsestudie  mellan  den  hyper‐

förgrenade  polyestern  Boltorn®  och  en  linjär  analog  till  denna  polymer. 

Röntgendiffraktion  och  transmissionselektronmikroskopi  bekräftade  den  överlägsna  förmågan  hos  den  hyperförgrenade  polymeren  i  framställandet  av  denna typ av nanokompositer. 

 Vidare  var  målet  med  denna  avhandling  att  undersöka  hur  nanofibrer  av  cellulosa  kan  användas  i  polymera  nanokompositer  med  hög  prestanda.  Ett  reaktivt  ”nanopappers”‐templat  bestående  av  cellulosananofibrer  kombinerades  med  en  hydrofil  hyperförgrenad  härdplastmatris,  vilket  resulterade  i  en  unik  nanokomposit  med  signifikant  förbättrade  egenskaper.  För  att  till  fullo  kunna  utnyttja den stora potentialen hos cellulosananofibrer som förstärkare i hydrofoba  polymermatriser,  måste  cellulosans  hydrofila  yta  modifieras  för  att  öka  kompatibiliteten.  För  detta  ändamål  undersöktes  ringöppningspolymerisation  som  metod  att  ympa  poly(ε‐kaprolakton)  (PCL)  från  mikrofibrillerad  cellulosa  (MFC).  Resultaten  visade  att  hydrofobiciteten  hos  cellulosaytan  ökade  med  längden  av  den  ympade  polymeren  och  att  polymer‐ympningen  gav  en  slätare  ytmorfologi.  För  att  undersöka  vidhäftningen  mellan  gränsytorna  framställdes  laminat av PCL‐ympade MFC‐filmer och rena PCL‐filmer. Analys av dessa visade  att  vidhäftningen  mellan  gränsytorna  successivt  ökade  med  växande  ymplängder.   

   

(5)

L IST OF PAPERS  

The thesis is a summary of the following papers: 

 

I.

  ”UV‐curable Hyperbranched Nanocomposite Coatings” L. Fogelström, P. 

Antoni, E. Malmström, A. Hult, Progress in Organic Coatings 2006, 55, 284–

290. 

 

II.

  “Hard and Flexible Nanocomposite Coatings using Nanoclay‐filled  Hyperbranched Polymers” L. Fogelström, E. Malmström, M. Johansson,  A. Hult, ACS Applied Materials & Interfaces, submitted 

 

III.

  ʺLinear vs. Hyperbranched Polymers in the Preparation of Polymer/Clay  Nanocomposites” L. Fogelström, S. Hansson, A. Carlmark, A. Hult, E. 

Malmström, Polymer, submitted   

IV.

  “Novel Nanocomposite Concept based on Hyperbranched Polymers in  Reactive Cellulose Nanopaper Templates” M. Henriksson, L. Fogelström,  M. Johansson, A. Hult, L. Berglund, Composites Science and Technology,  submitted 

 

V.

  ʺSurface Grafting of Microfibrillated Cellulose with Poly(ε‐caprolactone)  – Synthesis and Characterization” H. Lönnberg, L. Fogelström, Q. Zhou,  A. Hult, L. Berglund, E. Malmström, European Polymer Journal 2008, 44,  2991–2997  

 

VI. 

“Investigation of the Graft‐Length Impact on the Interfacial Toughness in  a Cellulose/Poly(ε‐caprolactone) Bilayer Laminate” H. Lönnberg, L. 

Fogelström, Q. Zhou, A. Hult, L. Berglund, E. Malmström, Composites  Science and Technology, submitted 

 

   

(6)

I. The majority of the experimental work and most of the preparation of the  manuscript. 

 

II. All of the experimental work and the preparation of the manuscript. 

 

III. The majority of the experimental work and most of the preparation of the  manuscript. 

 

IV. Half of the experimental work and the preparation of the manuscript. 

Involved in all parts of the work. 

 

V. Minor parts of the experimental work and the preparation of the manuscript. 

 

VI. About half of the experimental work and minor parts of the preparation of  the manuscript. 

     

Papers not included in this thesis: 

 

VII.

  ʺEnzymatic One‐Pot Route to Telechelic Polypentadecalactone Epoxide: 

Synthesis, UV Curing, and Characterization” M. Eriksson, L. Fogelström,  K. Hult, E. Malmström, M. Johansson, S. Trey, M. Martinelle, 

Biomacromolecules 2009, 10(11), 3108‐3113   

VIII.

  “Honeycomb‐Patterned Membranes from Polymer‐Modified Silica  Nanoparticles” D. Nyström, P. Antoni, E. Östmark, D. Nordqvist, J. 

Örtegren, L. Fogelström, E. Malmström, M. Lindgren, A. Hult,  manuscript  

   

(7)

A BBREVIATIONS  

AFM  atomic force microscopy  

ATRP  atom transfer radical polymerization  Bis‐MPA  2,2‐bis(methylol)propionic acid 

Boltorn®  hydroxyl‐functional aliphatic hyperbranched polyester  Boltorn H30  Boltorn® of the third pseudo‐generation 

CA  contact angle  

CC  conventional calibration in SEC  CDCl3  deuterated chloroform 

ε‐CL  ε‐caprolactone  

CRP  controlled radical polymerization   Cu(I)Cl  copper(I)chloride  

Cu(II)Br2  copper(II)bromide   DCM  dichloromethane 

DMA  dynamic mechanical analysis   DMF  dimethylformamide 

DMSO‐d6   deuterated dimethyl sulfoxide  DP  degree of polymerization  DSP  differential speckle photography 

EB  electron beam 

EBiB  2‐bromoisobutyrate  

FE‐SEM  field emission scanning electron mircroscopy   FTIR  fourier transform infrared spectroscopy   GMA  glycidyl methacrylate  

HCl  hydrochloric acid  

HMMM  hexamethoxymethyl melamine   [I]  concentration of initiator  Irgacure 651  UV‐initiator 

[M]  concentration of monomer  MCC  microcystalline cellulose  MEK  methyl ethyl ketone  

(8)

MMT  montmorillonite 

Mn  number average molecular weight  MW  molecular weight 

Na+MMT  natural montmorillonite 

NMP  nitroxide mediated polymerization   NMR  nuclear magnetic resonance spectroscopy  PCL  poly(ε‐caprolactone) 

PDI  polydispersity index  PGMA  poly(glycidyl methacrylate)   PMDETA  pentamethyldiethyltriamine  pTSA  p‐toluenesulfonic acid  

RAFT  reversible addition fragmentation chain transfer polymerization  RH  relative humidity 

ROP  ring‐opening polymerization  

RT  room temperature 

SEC  size exclusion chromatography   Sn(Oct)2  tin octoate  

std  standard deviation 

tan δ  storage modulus/loss modulus in DMA  TBAB  tetrabutyl ammonium bromide  

TEM  transmission electron microscopy 

Texanol  2,2,4‐trimethyl‐1,3‐pentanediol monoisobutyrate   Tg  glass transission temperature 

TGA  thermogravimetric analysis   THF  tetrahydrofuran 

TONE 0301  polyol spacer 

TPGDA  tripropyleneglycol diacrylate   UC  universal calibration in SEC  UV  ultra violet 

Vf  cellulose nanofiber volume fractions   XRD  x‐ray diffraction 

Zcrit  critical entanglement chain length  

(9)

T ABLE OF  C ONTENTS  

1.  PURPOSE OF THE STUDY ... 1 

2.  INTRODUCTION ... 2 

2.1  POLYMER NANOCOMPOSITES ... 2 

2.2  POLYMER/CLAY NANOCOMPOSITES... 3 

2.2.1  Montmorillonite clay ... 3 

2.2.2  Structure of polymer/clay nanocomposites ... 4 

2.2.3  Preparation of polymer/clay nanocomposites ... 5 

2.2.4  Characterization of polymer/clay nanocomposites ... 5 

2.2.5  Properties of polymer/clay nanocomposites ... 6 

2.3  DENDRITIC POLYMERS ... 7 

2.3.1  Hyperbranched polymers ... 8 

2.3.1.1  Properties of hyperbranched polymers ... 8 

2.3.1.2  Derivatization of hyperbranched polymers ... 9 

2.3.1.3  Boltorn® ... 9 

2.4  DENDRITIC POLYMER/CLAY NANOCOMPOSITES ... 10 

2.5  CELLULOSE ... 11 

2.5.1  Cellulose nanofibers ... 12 

2.5.2  Cellulose nanocomposites ... 12 

2.5.3  Surface modification of cellulose ... 12 

2.6  CONTROLLED POLYMERIZATION ... 13 

2.6.1  Atom transfer radical polymerization, ATRP ... 14 

2.6.2  Ring-opening polymerization, ROP ... 14 

2.7  THIN FILM APPLICATIONS ... 15 

2.7.1  Coatings ... 15 

2.7.1.1  Coating types ... 16 

2.7.1.2  Rheology of coatings ... 17 

2.7.1.3  Dendritic polymers in coatings ... 17 

2.7.1.4  Nanocomposite coatings ... 17 

3.  EXPERIMENTAL ... 18 

3.1  MATERIALS ... 18 

3.2  CHARACTERIZATION METHODS ... 18 

3.3  EXPERIMENTAL PROCEDURES ... 21 

3.3.1  Boltorn H30/Na+MMT nanocomposite coatings ... 21 

3.3.1.1  Preparation of Boltorn H30/Na+MMT nanocomposites (Paper I and II) ... 21 

(10)

3.3.2.1  Synthesis of acrylated Boltorn H30 ... 22 

3.3.2.2  Preparation of acrylated Boltorn H30/Na+MMT nanocomposites ... 22 

3.3.2.3  Preparation of UV-cured coatings ... 22 

3.3.3  Linear vs. hyperbranched polymers in polymer/clay nanocomposites ... 23 

3.3.3.1  Synthesis of PGMA using ATRP... 23 

3.3.3.2  Synthesis of Bis-MPA-modified PGMA – a linear analogue to Boltorn H30 .... 23 

3.3.3.3  Preparation of Boltorn H30/Na+MMT nanocomposites (Paper III) ... 24 

3.3.3.4  Preparation of Bis-MPA-modified PGMA/Na+MMT nanocomposites ... 24 

3.3.3.5  Preparation of thermally cured coatings (Paper III) ... 24 

3.3.4  Cellulose nanocomposite films ... 24 

3.3.4.1  Preparation of MFC nanofiber films ... 24 

3.3.4.2  Preparation of MFC nanofiber films for Boltorn H30/MFC nanocomposites .... 24 

3.3.4.3  Preparation of Boltorn H30/MFC nanocomposites ... 24 

3.3.5  Surface modification of cellulose nanofibers ... 25 

3.3.5.1  Grafting of PCL from MFC using ROP ... 25 

3.3.6  Cellulose nanocomposite laminates ... 26 

3.3.6.1  Grafting of PCL from MFC nanofiber films using ROP ... 26 

3.3.6.2  Preparation of PCL-film and PCL-MFC bilayer laminates ... 26 

4.  RESULTS AND DISCUSSION ... 27 

4.1  POLYMER/CLAY NANOCOMPOSITES ... 27 

4.1.1  Boltorn H30/Na+MMT nanocomposite coatings ... 27 

4.1.1.1  Nanocomposite characterization ... 27 

4.1.1.2  Coating characterization ... 31 

4.1.2  Acrylated Boltorn H30/Na+MMT nanocomposite coatings ... 34 

4.1.2.1  Synthesis of acrylated Boltorn H30 ... 34 

4.1.2.2  Nanocomposite characterization ... 35 

4.1.2.3  Coating characterization ... 37 

4.1.3  Linear vs. hyperbranched polymers in polymer/clay nanocomposites ... 39 

4.1.3.1  Synthesis of linear analogue to Boltorn H30 ... 39 

4.1.3.2  Nanocomposite and film preparation ... 40 

4.1.3.3  Nanocomposite characterization ... 40 

4.2  CELLULOSE NANOCOMPOSITES ... 42 

4.2.1  Cellulose nanocomposite films ... 42 

4.2.1.1  Structure of cellulose nanocomposite films ... 43 

4.2.1.2  Mechanical properties ... 45 

4.2.2  Surface modification of cellulose nanofibers ... 46 

4.2.2.1  Grafting of PCL from MFC using ROP ... 47 

4.2.2.2  Thermal characterization ... 49 

4.2.3  Cellulose nanocomposite laminates ... 49 

(11)

4.2.3.1  Grafting of PCL from MFC nanofiber films using ROP ... 49 

4.2.3.2  Adhesion in PCL-grafted MFC film/PCL film bilayer laminates ... 51 

5.  CONCLUSIONS ... 53 

6.  FUTURE WORK ... 56 

7.  ACKNOWLEDGEMENTS ... 57 

8.  REFERENCES ... 59 

(12)
(13)

1.   P URPOSE OF THE STUDY  

The overall purpose of this study has been to investigate different approaches to  enhance  properties  of  polymer  thin  films  through  the  introduction  of  a  nanoscopic reinforcing phase.  

 

The  majority  of  the  work  in  this  thesis  has  been  devoted  to  polymer/clay  nanocomposites  in  coating  applications,  using  a  hyperbranched  polymer  as  matrix  and  montmorillonite  clay  as  nanofiller.  Previous  work  by  Månson  et  al.1  has  demonstrated  the  successful  use  of  the  hydroxyl‐functional  hyperbranched  polyester Boltorn® in the preparation of polymer/clay nanocomposites, using the  solution intercalation method with water as solvent, resulting in highly exfoliated  materials. The present study aimed to explore the use of this system to improve  hardness  and  scratch  resistance  in  thermoset  coatings,  while  maintaining  flexibility and transparency. Furthermore, it was hypothesized that the hydroxyl  end‐groups of the hyperbranched polymer would be available for further reaction  after  the  exfoliation  of  clay  nanoparticles,  enabling  functionalization  with,  e.g.,  acrylate groups, in order to obtain a UV‐curable coating system. Another aim was  to  elucidate  the  effect  of  the  dendritic  architecture  on  the  exfoliation  process  by  performing a comparative study on the hyperbranched polyester Boltorn® and a  linear analogue of this polymer, in order to investigate their respective efficiency  in the preparation of these nanocomposites. 

 

Additionally,  an  objective  of  this  thesis  has  been  to  study  how  cellulose  nanofibers can be utilized in high performance polymer nanocomposites. First the  combination  of  a  reactive  cellulose  nanopaper  template  and  a  hydrophilic  hyperbranched  thermoset  matrix  was  investigated.  Moreover,  in  order  to  fully  utilize the great potential of cellulose nanofibers as reinforcement in hydrophobic  polymer  matrices,  the  hydrophilic  surface  of  cellulose  needs  to  be  modified  in  order  to  improve  the  compatibility.  For  this,  a  polymer‐grafting  approach  was  explored,  using  ring‐opening  polymerization  of  poly(ε‐caprolactone)  from  microfibrillated  cellulose  (MFC).  Subsequently,  the  aim  was  to  investigate  the  interfacial adhesion in modified MFC/PCL bilayer laminates. 

(14)

2.   I NTRODUCTION  

2.1 POLYMER NANOCOMPOSITES 

A composite consists of two or more physically distinct components. When mixed  together  the  resulting  material  achieves  superior  properties  compared  with  the  individual  constituents.2  In  nanocomposites  the  size  of  at  least  one  of  the  components is in the nanometer (10‐9 m) range. Apart from the obvious particle‐

size  difference,  nanocomposites  differ  from  conventional  composites  in  some  other  important  ways.  In  traditional  polymer  composites  the  amount  of  filler  usually has to be over 10 wt% to achieve the desired mechanical properties.3 This  high degree of loading leads to deteriorating properties, such as increased density  and a loss of tenacity. With nanocomposites, however, the desired properties can  be achieved at a much lower filler loading, generally up to a few weight percent.  

 

   

Figure  1.  Schematic  picture  showing  a)  one‐dimensional  nanoparticles,  b)  two‐dimensional  nanoparticles, c) three‐dimensional nanoparticles. 

 

Nanoparticles  are  divided  into  three  groups,  Figure  1,  differentiated  by  how  many  of  their  dimensions  that  are  in  the  nanometer  range.4  When  all  three  dimensions  are  in  the  nanometer  range,  the  nanoparticles  are  called  isodimensional, with spherical silica nanoparticles as a typical example. Particles  with  two  dimensions  in  the  nanometer  range  are  rodlike,  such  as  carbon  nanotubes or cellulose whiskers. In the third type of nanocomposites, only one of  the  dimensions  is  in  the  nanometer  range,  which  gives  a  platelet‐  or  sheet‐like  structure, exemplified by layered silicate clays. The sheets are typically one or a 

a) b) c)

(15)

few  nanometers  thick  with  a  surface  of  several  thousand  square  nanometers,  which gives a very high aspect ratio. 

2.2 POLYMER/CLAY NANOCOMPOSITES 

The  great  interest  in  using  clay  nanoparticles  as  reinforcement  in  polymers  emerged  in  the  late  1980s  when  a  research  group  from  Toyota  reported  their  findings regarding the possibility of building a nanostructure from a polymer and  an organophilic clay, with dramatic property improvements.5, 6 

2.2.1 Montmorillonite clay 

Expandable  layered  silicate  clays,  with  montmorillonite  (MMT)  as  a  typical  example,7  are  among  the  most  commonly  used  nanofillers  for  polymer  nanocomposites. MMT is a naturally abundant, easily accessible soil mineral with  a layered structure, Figure 2. 

 

   

 

Figure 2. Structure of the layered silicate clay montmorillonite. 

 

The  layers  consist  of  two  tetrahedral  sheets  sandwiching  an  edge‐shared  octahedral sheet of either aluminum or magnesium hydroxide.4 When the clay is 

(16)

stacked, each layer is separated by regular van der Waals gaps, called interlayers  or  galleries.  Located  in  the  interlayers  are  cations  such  as  Ca2+  and  Na+,  counterbalancing  an  excess  of  negative  charge,  caused  by  isomorphous  substitutions of Si4+ for Al3+ within the tetrahedral lattice, and of Al3+ for Mg2+ in  the  octahedral  lattice.  There  are  also  often  water  molecules  present  between  the  layers, due to the high hydrophilicity of the clay. The repeating unit, d‐spacing, is  represented by the sum of the single layer thickness and the interlayer. In natural  MMT (Na+MMT), the d‐spacing varies from 9.6 Å, for the stacked dry clay, to 19  Å for the clay in 99% relative humidity.8 The microstructure of the clay consists of  several  layers,  lamellas  (1  nm),  lying  parallel  forming  a  primary  particle  (8‐10  nm). The primary particles are, in turn, aggregated into larger irregular particles  (0.1‐10 μm).9 The layered structure together with the suitable layer charge density  enable  a  rich  intercalating  chemistry,  thus  allowing  for  MMT  to  be  intercalated  directly  with  hydrophilic  polymers  or  chemically  modified  to  enhance  the  compatibility with hydrophobic polymers.10 

2.2.2 Structure of polymer/clay nanocomposites 

Polymer/layered silicate nanocomposites can either be referred to as intercalated if  the polymer is present between the clay layers, but the regularity of the layered  structure is maintained, or as exfoliated if the clay layers are completely dispersed  in the matrix,11 Figure 3.  

 

Figure 3. Schematic structure of polymer/clay nanocomposites   

layered silicate polymer

conventional  composite

intercalated  nanocomposite

exfoliated  nanocomposite

(17)

In  order  to  fully  utilize  the  property‐improving  potential  of  the  nanofiller,  complete  dispersion  is  necessary, so  that  the  entire surface area  (ca  760  m2/g) of  the nanosized clay particles is available to interact with the polymer; the coupling  between the phases facilitates stress transfer to the reinforcing phase, allowing for  tensile strength and toughening improvements.10  

2.2.3 Preparation of polymer/clay nanocomposites 

Various methods have been employed to prepare polymer/clay nanocomposites. 

The  first  method,  used  by  the  Toyota  group,  was  the  in‐situ  synthesis.12‐16  In  this  method,  the  polymerization  is  initiated  in  between  the  clay  layers,  and  the  polymer  build‐up  causes  the  interlayer  gallery  to  expand.  Another  commonly  used  method  is  the  melt  processing  technique,  in  which  the  clay  is  dispersed  in  a  polymer in the molten state, using high shear forces and high temperatures.17‐20 In  the solution intercalation method the layered silicate is exfoliated into single layers  using  a  solvent  in  which  the  polymer  is  soluble.4  The  weak  forces  stacking  the  layers together make the dispersion of the inorganic material easy, if the solvent  is adequate. Subsequently, the polymer adsorbs onto the delaminated sheets and  the  nanocomposite  is formed  upon removal  of  the solvent.  The above  described  nanocomposite  preparation  methods  generally  require  modification  of  the  naturally  hydrophilic  clay  to  improve  the  compatibility  with  commonly  used  hydrophobic polymers.  Depending  on  the  desired  properties, several  modifying  methods  are  applicable.  The  simplest  method  is  the  reaction  with  alkylammonium  ions,  due  to  the  ease  with  which  the  alkyl  chains  can  change  their conformation by transition into kink and gauche conformers.21 In addition,  many  different  properties  can  be  obtained  depending  on  the  choice  of  carbon  chain in the alkylammonium ion. Therefore, this type of modifier has shown to be  particularly  versatile  in  polymer/clay  nanocomposites.22,  23  The  purpose  of  the  alkylammonium  ion  is  not  just  to  compatibilize  the  clay  and  the  polymer  but  it  also  expands  the  clay  galleries,  making  intercalation  easier.10  However,  modification of the clay could be avoided using the solution intercalation method  with water as solvent, thereby making use of native MMT’s affinity for water and  its ability to exfoliate in aqueous solutions.24, 25 

2.2.4 Characterization of polymer/clay nanocomposites 

There  are  two  main  methods  in  the  characterization  of  polymer/clay  nanocomposites:7, 26 x‐ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy  (TEM). XRD is a straightforward method for determining the spacing between the  clay  layers;  the  sample  preparation  is  relatively  easy  and  the  analysis  can  be 

(18)

performed within a few hours. The potential of XRD, however, is limited since all  its data is averaged over the whole sample. Furthermore, XRD does not give any  information  concerning  the  spatial  distribution  of  the  clay  particles.  These  limitations  may  lead  to  incorrect  conclusions  regarding  the  nanocomposite  structure,  and  need  to  be taken into  careful  consideration  when  interpreting  the  results.  TEM  is  thus  an  important  complement  to  XRD.  TEM  provides  direct  visual information of the morphology, atom arrangement, spatial distribution of  the phases and structural defects of an elected area of the sample. In this method,  the  limitations  are  rather  operational  than  instrumental,  since  TEM  requires  substantial  skills  in  specimen  preparation  and  analysis  in  order  to  ensure  that  a  representative section is examined. 

2.2.5 Properties of polymer/clay nanocomposites 

Improvement  of  mechanical  properties  is  the  most  common  application  for  polymer/clay  nanocomposites.10,  17,  27‐32  A  proposed  theory  suggests  that  the  polymer  which  is  physisorbed  onto  the  clay  is  stiffened  by  its  affinity  for,  and  adhesion  to,  the  silicate  surface,  thus  having  a  higher  modulus  than  the  surrounding  bulk  polymer.33  Polymer‐clay  nanocomposites  have  also  shown  to  substantially decrease the permeability compared with the pristine polymer.28, 34‐38  The  impermeable,  platelet‐like  nanolayers  provide  a  tortuous  pathway  for  the  diffusing  molecules  as  they  transverse  the  nanocomposite,  see  Figure  4.  Hence  the high aspect ratio clay layers effectively decrease the diffusion‐rate through the  material.7  

   

Figure 4. Schematic picture showing the tortuous diffusion  pathway in an exfoliated polymer/clay nanocomposite. 

 

penetrating molecule

(19)

Closely  related  to  the  improvement  of  barrier  properties  is  the  improvement  of  thermal  properties,  benefitted  by  in  thermal‐stability  and  fire‐resistance  applications.4,  39‐44  The  thermal  stability  is  improved  since  the  clay  layers  act  as  superior  insulator  and  mass  transport  barrier  to  the  volatile  products  generated  during  decomposition,  as  well  as  by  assisting  the  char  formation  after  thermal  decomposition,  especially  on  the  outer  layer.33  The  clay‐rich  char  layer  in  turn  protects  the  polymer  from  hot  flames  during  fire  and  slows  the  oxygen  uptake  and the escape of volatile gases produced by the polymer degradation. Important  for  many  applications,12,  45,  46  for  example  coating  applications,47  are  the  optical  properties  of  nanocomposites.  The  nanometric  dimension  of  the  filler  is  smaller  than the wavelength of visible light, i.e., the light is not refracted, thus rendering  the  nanocomposites  highly  transparent.48  Furthermore,  the  introduction  of  nanoparticles to crystalline materials affects the crystallinity, in turn affecting the  optical  clarity.49  The  transparency  of  nanocomposites  makes  them  applicable  outside the boundaries of traditional composites. 

2.3 DENDRITIC POLYMERS 

The origin of the word dendritic is the Greek word for tree, dendro. Accordingly,  dendritic polymers are characterized by densely branched structures and a large  number  of  end‐groups  ‐  a  tree‐like  structure.50‐52  The  monomers  used  to  obtain  this  type  of  polymers  are  ABx‐monomers,  typically  AB2.  These  can  be  either  homo‐  or  copolymerized,  with  or  without  a  multifunctional  core,  to  achieve  a  number of different property profiles.  

 

   

Figure 5. Schematic picture showing a) a dendrimer, b) a hyperbanched polymer with core,   and c) a hyperbranched polymer without core. 

(20)

If  a  core  is  used  and  the  product  is  monodisperse  ‐  a  dendrimer  ‐  each  layer  of  propagation  is  represented  by  a  generation,  Figure  5a,  and  if  the  product  is  polydisperse  ‐  a  hyperbranched  polymer  ‐  the  term  pseudo‐generation  is  used,  Figure  5b.  If  no  core  is  used  in  the  synthesis,  the  product  is  a  hyperbranched  polymer  with  a  theoretical  infinitely  broad  molecular‐weight  distribution,50  Figure 5c. Also belonging to the family of dendritic polymers are linear‐dendritic‐

hybrid polymers, such as dendrigrafts and dendronized polymers.52 

2.3.1 Hyperbranched polymers 

Hyperbranched macromolecules, theoretically described in the 1950’s,53 were first  reported  synthesized  in  the  early  1990’s54  and  have  been  studied  in  detail  since  then.55,  56  The  synthesis  of  dendrimers,57‐60    is  often  tedious  since  it  generally  requires  protection  and  deprotection  steps  as  well  as  purification  between  successive  generations.  Hyperbranched  polymers  on  the  other  hand,  are  readily  synthesized  through  a  one‐pot61  or  pseudo‐one‐pot62  synthesis.  One‐pot‐

synthesis,  with  or  without  a  core,  is  performed  by  adding  all  ABx  monomers  simultaneously,  resulting  in  an  uncontrolled  branching  and  a  very  broad  molecular‐weight  distribution,  typically  2  or  higher.52  In  the  pseudo‐one‐pot  synthesis  a  core  is  used,  and  the  ABx  monomers  are  added  in  a  stoichiometric  ratio,  one  pseudo‐generation  at  a  time,62  enabling  a  better  controlled  polymerization with a higher degree of branching and a more narrow molecular‐

weight  distribution.  While  having  the  same  amount  of  end‐groups,  the  main  distinguishing  properties  for  hyperbranched  polymers  compared  with  dendrimers,  are  higher  molecular  weight  distribution  and  irregular  branching. 

These, in some cases undesired, properties are a result of the one‐pot, or pseudo‐

one‐pot  synthesis,  applied  on  hyperbranched  polymers.  However,  the  simple  synthesis  renders  the  preparation  of  hyperbranched  polymer  less  expensive,50  which is a highly desired feature, facilitating commercial applications.61, 63‐65 

2.3.1.1 Properties of hyperbranched polymers 

The structure of hyperbranched polymers, densely branched with a large number  of  end‐groups,  differs  from  the  structure  of  linear  or  conventionally  branched  polymers;  hence,  the  properties  differ  as  well.  The  globular  structure  of  hyperbranched  polymers  precludes  the  entanglements  that  conventional  polymers undergo, which leads to lower viscosity at a given molecular weight.66  Also,  the  hyperbranched  polymer  exhibits  a  Newtonian  behavior,  which  is  unusual  for  polymers.67  As  can  be  anticipated  from  their  highly  branched  architecture, hyperbranched polymers are most often amorphous; however, some 

(21)

exceptions are reported in the literature.68, 69 The large number of end‐groups has  a great effect on the properties of the hyperbranched polymer since they strongly  affect  the  interactions  between  the  hyperbranched  polymer  and  its  neighboring  molecules, thus affecting the solubility and viscosity. Furthermore, the nature of  the end‐groups governs the reactivity of the molecule. Due to the large number of  end‐groups, hyperbranched polymers have a great capacity for rapid crosslinking  even  at  moderate  molecular  weights,  if  the  end‐groups  are  reactive.  Hence,  the  possibilities for designing thermosetting networks are numerous.56 

2.3.1.2 Derivatization of hyperbranched polymers 

The  large  number  of  end‐groups  of  hyperbranched  polymers  strongly  governs  the  final  unique  properties  of  the  material,  as  mentioned  above.  Often  only  a  small  amount  of  end‐groups  has  to  be  derivatized  to  achieve,  for  instance,  a  desired  reactivity  and  therefore  the  rest  can  be  used  to  control  other  properties,  such  as  viscosity,  solubility  etc.  For  example,  acrylate  and  methacrylate  derivatives  of  hyperbranched  polymers  can  be  synthesized  using  standard  procedures, resulting in UV‐curable systems.70, 71 

2.3.1.3 Boltorn® 

Boltorn®  is  one  of  few  commercially  available  hyperbranched  polymers.  It  is  a  hydroxyl‐functional hyperbranched polymer, manufactured and sold by Perstorp  AB,  Sweden.72  The  core  is  a  polyalcohol,  ethoxylated  pentaerythritol,  and  the  backbone, built up by the monomer 2,2‐bis(methylol)propionic acid, Bis‐MPA, is  an aliphatic polyester,62 Figure 6.  

 

   

Figure 6. Structure of the hyperbranched polyester Boltorn H30. 

(22)

Since  Boltorn®  is  produced  through  a  pseudo‐one‐pot  synthesis,  offering  some  degree of control over the polymerization, the polydispersity is fairly low, with a  PDI value ranging from 1.4 to 2.4, as reported in the literature.62, 72, 73 The use of a  core also allows for some control over the molecular weight. The Boltorn® used in  this thesis is Boltorn H30, which is a hyperbranched polymer of the third pseudo‐

generation, having a molecular weight (Mn) of about 3600 g/mol and an average  of 32 hydroxyl end‐groups per molecule. 

2.4 DENDRITIC POLYMER/CLAY NANOCOMPOSITES 

As described previously, polymer/clay nanocomposites can be prepared using the  solution  intercalation  method,  preferably  with  water  as  solvent,  thus  avoiding  prior  clay  modification.  Linear  water‐soluble  polymers,  processed  with  this  method,  have  in  some  cases  resulted  in  reaggregated  intercalated  structures,  rather than exfoliated structures, after drying.74,  75 The use of dendritic polymers  such as hyperbranched polyesters, on the other hand, has been shown to promote  exfoliation  and  stabilize  the  exfoliated  structure  after  drying,1,  76  Figure  7.  This  stabilization  is  thought  to  be  enabled  by  the  compact  globular  structure  of  the  hyperbranched  polymer,  with  a  large  number  of  polar  end‐groups  and  a  relatively  hydrophobic  core,  preventing  the  molecule  from  collapsing  onto  the  clay layers.77 

 

   

Figure 7. Schematic picture showing the structure of hyperbranched polymer/clay nanocomposites. 

(23)

2.5 CELLULOSE 

Cellulose, which is one of the world’s most abundant renewable resources, exists  as a load‐bearing component in plant cell walls, in algae and tunicate sea animals  and  it  can  also  be  produced  by  certain  bacteria.78  Cellulose  is  a  linear  polysaccharide, made up of β‐1‐4 D‐glucose units, Figure 8.  

 

   

Figure 8. Molecular structure of cellulose. 

 

The  many  hydroxyl  groups  form  strong  inter‐  and  intramolecular  hydrogen  bonds,  resulting  in  a  crystalline,  sheet‐like  structure  with  a  very  high  modulus,  134  GPa.79  In  plants,  the  crystalline  sheet  stack  together  to  form  microfibrils,  in  turn  bundling  up  to  form  fibrils,  which,  together  with  hemicellulose  and  lignin,  build up the different layers of the wood cell (i.e., wood fiber) wall, Figure 9. 

 

   

Figure 9. Schematic picture showing the hierarchical structure of cellulose. 

(24)

2.5.1 Cellulose nanofibers 

Nanosized  cellulose  fibers  can  be  isolated  from  the  wood  cell  wall  in  different  ways,  i.e.,  by  chemical  and  mechanical  treatments.80  Microcrystalline  cellulose  (MCC) is obtained through acid hydrolysis of wood fibers, thereby removing the  amorphous  and  unordered  cellulose  parts,  yielding  highly  crystalline  cellulose  nanofibers with low aspect ratio; the typical size of MCC is 200‐400 nm in length  with  an  aspect  ratio  of  about  10.  Microfibrillated  cellulose  (MFC),  developed  in  the  1980’s,81,  82  is  produced  through  a  combination  of  chemical  and  mechanical  treatment,  i.e.,  homogenization,  of  wood  fibers,  causing  disintegration  of  microfibrils  and  microfibril  aggregates  from  the  cell  wall.  In  order  to  further  promote  this  disintegration,  different  pretreatments  can  be  employed.83‐85  Compared  with  MCC,  MFC  has  a  much  higher  aspect  ratio  with  a  typical  diameter of 10‐100 nm and a length up to several micrometers, depending on the  preparation method. Furthermore, MFC contains both amorphous and crystalline  cellulose, thus rendering MFC more flexible than MCC. When dried from a water  suspension,  MFC  irreversibly  forms  a  strong  network,  stabilized  by  the  large  amount of interfibrillar hydrogen bonds present in the material.86  

2.5.2 Cellulose nanocomposites 

The  high  modulus  of  cellulose,  which  is  important  for  the  mechanical  properties,87,  88  together  with  other  possible  property  improvements,  including  increased  thermal  stability,89  decreased  thermal  expansion,90  and  increased  thermal  conductivity,91  makes  cellulose  in  general,  and  cellulose  nanofibers  in  particular,  highly  interesting  as  reinforcement  in  composite,  or  nanocomposite,  materials. Additionally, if cellulose nanofibers are used to reinforce a transparent  matrix, it is possible to maintain most of the transparency, even at fiber contents  as high as 70 %, owing to the small scale (i.e., nanoscale) of the filler.90, 92 

2.5.3 Surface modification of cellulose  

Owing  to  its  many  hydroxyl  groups,  cellulose  is  very  hydrophilic  and  adsorbs  water  easily, thus  complicating  the  use  of  cellulose as  reinforcement  in  polymer  composites  where  adhesion  to  the  often  hydrophobic  polymer  is  essential. 

However,  the  hydroxyl groups  can also  act as  reactive  sites,  endowing  cellulose  with  great  potential  for  modification  and  tailoring  of  properties.  The  adhesion  between  cellulose  and  hydrophobic  polymers  can  be  improved  through  the  introduction of a low molecular weight coupling agent, such as acetyl‐, silanyl‐ or  carboxyl‐functional  compounds,93‐95  through  physical  modification  using 

(25)

secondary forces,84, 96 or through graft‐copolymerization of high molecular weight  polymers, thereby making use of the possibility of obtaining chain entanglements  that  drastically  improve  the  mechanical  properties,  as  well  as  the  possibility  for  co‐crystallization  to  occur  with  the  polymer  matrix.  Co‐crystallization  would  further  improve  the  interfacial  adhesion  between  matrix  and  fiber,  and  thereby  enhance  the  mechanical  properties  of  the  final  composite.  The  surface  grafting  from  cellulose  has  traditionally  been  performed  through  radiation‐initiated  free  radical  polymerization  of  vinyl  monomers,  resulting  in  high  molecular  weight  grafts with poor definition.97,  98 Surface modification of cellulose using controlled  polymerization  techniques,  such  as  ATRP,99‐101  RAFT,102‐104  and  ROP,105‐107  on  the  other  hand,  offer  the  possibility  of  obtaining  surface‐confined  polymers  with  controlled  molecular  weight  and  molecular  weight  distribution  and  chain  structure, i.e., block copolymers, graft‐on‐graft copolymers etc. 

2.6 CONTROLLED POLYMERIZATION 

In  order  to  control  the  molecular  weight,  the  molecular  weight  distribution  and  the end‐group functionality of a polymer, the synthesis has to be performed using  a  living  or  controlled  polymerization  technique.  Anionic  and  cationic  polymerization  are  true  living  techniques,  offering  complete  control  over  the  polymerization. However, they are synthetically demanding in their requirement  of  ultrapure  reactants  and  specific  reaction  conditions,  thus  limiting  their  commercial use. The most commonly used method for commercial applications is  free  radical  polymerization,  but  since  it  lacks  control  over  the  polymerization  regarding  termination  and  chain  transfer  reactions,  molecular  weight  and  molecular weight distribution, and end‐group functionality, it cannot be used to  synthesize  well‐defined  polymers,  such  as  star,  comb  or  block  copolymers,  requiring  architectural  control.  In  the  effort  to  combine  the  control  of  the  living  polymerization  techniques  with  the  less‐demanding  synthesis  of the  free  radical  polymerization,  controlled  radical  polymerization  (CRP)  techniques  have  been  developed;  the  three  major  types  are  nitroxide  mediated  polymerization  (NMP),108 atom transfer radical polymerization (ATRP),109 and reversible addition  fragmentation  chain  transfer  polymerization  (RAFT)110.  By  maintaining  a  low  concentration  of  active  propagating  species,  through  a  dynamic  equilibrium  as  shown  in  Scheme  1,  termination  and  unwanted  side‐reactions  are  suppressed,  thus offering control over the polymerization and the end‐group functionality.  

 

     

(26)

Scheme 1. Fundamental equilibrium in controlled radical polymerization. 

 

 

2.6.1 Atom transfer radical polymerization, ATRP 

ATRP111‐113 is the most studied of the CRP techniques, owing to its versatility and  compatibility  with  a  range  of  monomers  and  solvents.  The  most  elementary  ATRP  system  consists  of  initiator  (commonly  an  alkyl‐halide),  monomer,  and  catalyst  (a  transition  metal  halide  complexed  with  a  ligand)  and  accurate  matching  of  these  components  is  essential  in  order  to  achieve  a  successful  result.109 ATRP is based on a reversible redox process with equilibrium between  active propagating chains and dormant – reversibly end‐capped – chains, unable  to propagate. In order to achieve a well‐controlled polymerization, it is important  that  the  rate  of  initiation  is  faster  than  the  rate  of  propagation,  since  a  fast  initiation  ensures  that  all  the  chains  start  growing  at  the  same  time.  The  main  drawback of ATRP is the relatively large amount of catalyst used in the system,  usually  in  the  form  of  Cu+.  Without  purification  of  the  final  product,  the  remaining  metal‐containing  catalyst  could  have  a  detrimental  effect  in  many  applications, and therefore it needs to be removed after synthesis.  

2.6.2 Ring‐opening polymerization, ROP 

Ring‐opening polymerization (ROP) is a controlled polymerization technique that  was  developed  in  the  1930s,114  and  it  is  a  versatile  method  for  polymerizing  various cyclic monomers, including lactones, lactides, lactams, cyclic carbonates,  siloxanes  and  ethers.  The  high  efficiency  of  ROP,  and  lack  of  condensation  byproducts,  makes  it  superior  to  traditional  polycondensation  reactions  in  the  synthesis  of  high  molecular  weight  polymers.  Furthermore,  ROP  can  be  performed both through a controlled and a living mechanism, depending on the  monomer  and  initiator/catalyst  system,  thus  enabling  synthesis  of  complex  macromolecular architectures with well‐defined end‐groups.115 Depending on the  catalyst  system,  ROP  proceeds  through  a  cationic,  anionic  or  coordination‐

insertion  mechanism.  The  most  widely  used  catalyst  for  ROP  of  lactones  and  lactides  is  tin  octoate  (Sn(Oct)2),  owing  mainly  to  its  availability,  high  efficiency  and  relatively  low  toxicity,  while  being  inexpensive  and  approved  for  food  and 

(27)

drug  applications.116  A  general  mechanism  of  ROP  with  this  type  of  catalyst  is  shown  in  Scheme  2.  Most  commonly,  ROP  is  initiated  by  hydroxyl‐functional  compounds  (or  water),  but  amino‐functional  is  also  possible.  Drawbacks  of  Sn(Oct)2‐catalytic  systems  include  requirement  of  water‐free  reagents  and  glass‐

ware,  occurrence  of  various  transesterification  reactions  during  synthesis,  affecting  the  molecular  weight  distribution,  and  difficult  catalyst‐removal  after  synthesis. 

 

Scheme 2. Schematic description of ROP of lactones. 

 

   

2.7 THIN FILM APPLICATIONS 

The  concept  of  polymer  thin  films  entails  various  applications  such  as  coatings  (e.g.,  protective  and  aesthetic),  free‐standing  films  (e.g.,  membranes  and  filters),  and laminates (e.g., for packaging applications). This thesis contains work on free‐

standing  polymer‐impregnated  cellulose  nanopapers  and  laminates  of  nanocellulose  films.  The  main  focus,  however,  regarding  the  thin  film  applications, has been on coatings.  

2.7.1 Coatings 

The potential functions of coatings are numerous, e.g., to protect, to decorate, or  to  provide  information  or  special  physical  effects.117  A  coating  consists  of  four  main  components:118  The  resin  is  the  essence  of  the  coating  and  contributes  to  most of its chemical and physical properties. The resin can be everything from a  natural  material,  like  egg‐white  or  blood,  to  a  highly  complex  organic  polymer  obtained  by  modern  chemistry.  The  main  function  of  the  resin  is  to  be  a  film  former,  holding  the  coating  cohesively together  and  adhesively  to  the  substrate; 

Solvents  are  primarily  used  to  enable  application  of  the  coating.  In  chemically  curing  systems  it  also  affects  the  reactivity.  Solvent  systems  are  often  blends  of  different  solvents,  designed  to  improve  flow  and  leveling  of  the  film  and  to  minimize  volatile  organic  content  and  cost;  Pigments  are  in  general  inorganic  compounds  such  as  oxides  and  silicates.  Prime  pigments  add  color  and  opacity 

(28)

and  they  can  protect  the  coating  from  deteriorating  UV‐light.  Functional  pigments  can  provide  for  example  fire  resistance  or  corrosion  protection. 

Extender  pigments  increases  volume  without  excessive  cost.  They  add  neither  color  nor  opacity,  but  they  can  for  instance  provide  mechanical  strength  and  control  gloss;  In  the  coating  industry  numerous  additives  are  used  to  improve  various  properties.  Plasticizers  can  provide  flexibility  to  brittle  polymers,  catalysts and driers can accelerate cure rates, etc. An important group of additives  are  the  rheological  additives,  used  to  control  consistency  and  pigment  settling  and improve flow, leveling and sag resistance of the film.  

2.7.1.1 Coating types 

There are four main classifications of coatings, categorized by the resin and how  the coating is formed:118, 119 The simplest type of coating is the thermoplastic solvent‐

borne resins, in which a continuous film is formed when the solvent is evaporated  and  an  amorphous  solid  is  obtained.  No  cross‐linking  occurs,  but  usually  considerable  physical  entanglements  are  formed.  Examples  of  this  type  are  acrylics,  vinyls,  chlorinated  rubbers,  and  cellulosic  esters;  In  the  thermoplastic  dispersion  resins,  a  high  molecular  weight  polymer  is  segregated  into  discrete  particles  dispersed  in  a  carrier  phase.  A  continuous  film  is  formed  after  application  when  the  carrier  phase  is  evaporated  or  displaced  and  the  polymer  particles  are  fused  together.  The  dispersion  enables  a  low  viscosity  despite  the  high  molecular  weight.  Examples  of  this  type  are  latex  systems,  plastisols,  and  thermoplastic  powder  coating  resins;  The  chemically  curing  resins  are  crosslinked  by intra‐ or intermolecular addition or condensation polymerization. The curing  can proceed at either ambient or elevated temperature, with ultra‐violet (UV) or  electron‐beam  (EB)  radiation,  depending  on  the  functional  groups  involved. 

Examples  of  this  type  are  epoxy  systems,  urethane  systems,  unsaturated  polyesters,  UV  and  EB  curing  acrylics,  phenolics  and  amino  cured  systems;  A  very old film forming technology, still in use, is the oxidatively curing system, with  a  crosslinking  chemistry  yet  to  be  fully  understood.  The  oxidizing  systems,  however,  involve  an  oxygen  attack  on  conjugated  double  bonds  on  unsaturated  fatty acids. This attack creates radicals ready to react with other fatty acid chains,  and so the drying process proceeds. Examples of this type are oxidizing systems  like unmodified oil systems, alkyds and epoxy esters, and water curing systems  like ureas and alkyl silicates. 

(29)

2.7.1.2 Rheology of coatings 

A very important property of coatings is the viscosity; a sufficiently low viscosity  is required in order to control the flow and leveling during film formation.120,  121  When  designing  a  coating  system  there  generally  has  to  be  a  compromise  between molecular weight and viscosity. While being essential in order obtain the  right properties of the final film and to reduce cure shrinkage, a high molecular  weight of the resin normally also renders a high viscosity. In order to lower the  viscosity,  an  increased  amount  of  solvent  is  required,  which  is  undesirable  also  from  an  environmental  point  of  view.  Dendritic  polymers,  with  their  special  features, offer an interesting alternative in the solution to this problem.  

2.7.1.3 Dendritic polymers in coatings 

One  of  the  most  prominent  applications  for  dendritic  polymers  is  as  reactive  multifunctional components in coating and resin formulations.56,  122 As discussed  in section 2.3.1.1, the globular structure of hyperbranched polymers precludes the  entanglement  that  conventional  polymers  undergo,  which  leads  to  lower  viscosity  at  a  given  molecular  weight  and  a  Newtonian  behavior.  Additionally,  the large number of end‐groups renders versatile cross‐linking possibilities and a  great capacity for rapid curing. 

2.7.1.4 Nanocomposite coatings 

Many  of  the  properties  of  nanocomposites  described  in  section  2.2.5  are  very  useful  in  coating  applications:  improvements  in  mechanical  properties  would  render  a  harder  and  more  scratch  resistant  coating;47  the  increased  thermal  stability and fire resistant properties are applicable in intumescent coatings123 and  other  fire  retardant  applications;  the  improved  barrier  properties  are  also  pertinent,  e.g.,  to  packaging  applications;  the  possibility  of  maintaining  the  transparency of a nanoparticle‐filled coating enables their use as clear‐coats, e.g.,  in wood or automotive applications. 

 

(30)

3.   E XPERIMENTAL  

3.1 MATERIALS 

The  hydroxyl‐functional  hyperbranched  polymer  Boltorn®  H30  and  2,2‐

bis(methylol)propionic  acid  (Bis‐MPA)  was  kindly  supplied  by  Perstorp  AB  Sweden. The clay used is a natural montmorillonite (Na+MMT) from the Cloisite®  nanoclays series by Southern Clay Products, with a d‐spacing of 11.7 Å according  to SCP’s X‐ray results. Hexamethoxymethyl melamine (HMMM) was supplied by  Becker Industrial Coatings AB, and epoxy‐blocked p‐toluenesulfonic acid (epoxy‐

blocked  pTSA)  was  supplied  by  Akzo  Nobel  Nippon  Paint  AB.  Microfibrillated  cellulose  (MFC)  was  prepared  according  to  the  procedure  described  by  Henriksson et al.85. Glycidyl methacrylate (GMA) from Fluka was passed through  a  column  of  neutral  aluminum  oxide  from  Sigma‐Aldrich  prior  to  use.  All  solvents  and  the  following  chemicals  were  used  as  received:  TONE  polyol  0301  from  Union  Carbide,  2,2,4‐trimethyl‐1,3‐pentanediol  monoisobutyrate  (Texanol),  benzyl  alcohol,  2‐bromoisobutyrate  (EBiB),  ε‐caprolactone  (ε‐CL),  poly(ε‐

caprolactone)  (PCL,  MW  80 000  g/mol),  copper(I)chloride  (Cu(I)Cl),  copper(II)bromide  (Cu(II)Br2)  hydroquinone,  pentamethyldiethyltriamine  (PMDETA)  and  tin  octoate  (Sn(Oct2))  from  Sigma‐Aldrich,  acrylic  acid  and  methanesulfonic  acid  from  Merck,  nitrobenzene  from  Kebo  Lab,  tripropyleneglycol  diacrylate  (TPGDA)  from  UCB  Radcure,  Irgacure  651  from  Ciba  Specialty  Chemicals,  hydrochloric  acid  (HCl,  37  %  solution  in  water)  from  Acros  Organics,  and  tetrabutyl  ammonium  bromide  (TBAB)  from  Nobel  Chemicals. 

3.2 CHARACTERIZATION METHODS 

Atomic  force  microscopy  (AFM)  was  performed  using  a  Nanoscope  III‐a  system  (Digital Instruments) equipped with an EV‐type vertically engaged piezoelectric  scanner  operating  in  tapping  mode  in  air.  Silicon  AFM  probes  from  Veeco  (Nanosensors) were used with a resonance frequency of 275‐348 kHz. 

(31)

 

Conventional coating characterization methods: pendulum hardness was studied with  a 299 Koenig pendulum hardness tester from Erichsen; pencil hardness tests were  principally  performed  according  to  SIS  18  41  87  standard,  using  pencils  manufactured  by  KOH‐I‐NOOR;  scratch  tests  were  principally  performed  according to ISO 2409 standard, using a multi‐edge cutting tool and a brush, both  manufactured  by  Erichsen;  chemical  resistance  was  analyzed  through  the  MEK‐

rub test, using methyl ethyl ketone as solvent. 

 

Density and porosity of the matrix and the cellulose nanofiber film in Paper IV was  determined using an Archimedes scale. The density was calculated from sample  displacement  when  immersed  in  mercury  and  the  porosity  was  calculated  assuming a cellulose density of 1500 kg/m3

 

Dynamic mechanical analysis (DMA) was performed on freestanding films using a  TA Instruments Q800 to determine the tensile properties of the coatings in Paper  II and the films in Paper IV. The peel tests in Paper VI were also conducted with  the  DMA  instrument.  These  measurements  were  performed  on  rectangular  laminate  samples  (20x4  mm)  at  room  temperature  in  a  controlled  stress‐strain  mode with a preload force of 0.0010 N and a force ramp of 0.100 N/min.  

 

Field  emission  scanning  electron  mircroscopy  (FE‐SEM)  was  performed  using  a  Hitachi S‐4800 scanning electron microscope. The specimens were coated by gold  using an Agar HR sputter coater. The surfaces of the composites and the fracture  surfaces were analyzed at 2 kV acceleration voltage. 

 

Fourier  transform  infrared  spectroscopy  (FTIR)  was  conducted  on  a  Perkin‐Elmer  Spectrum  2000  FTIR  equipped  with  a  MKII  Golden  Gate,  Single  Reflection  ATR  system  from  Specac  Ltd.,  London,  UK.  All  spectra  were  normalized  against  a  specific ATR crystal adsorption, thus enabling comparison between the polymer  grafted cellulose substrates.99 

 

Nuclear  magnetic  resonance  (1H‐NMR  and 13C‐NMR)  spectra  were  recorded  on  a  400 MHz Bruker Aspect NMR, using DMSO‐d6 and CDCl3 as solvents. 

 

Size exclusion chromatography (SEC), using THF (1.0 mL min‐1) as the mobile phase  was  performed  at  35  °C  using  a  Viscotek  TDA  model  301  equipped  with  two  GMHHR‐M columns with TSK‐gel (Tosoh Biosep), a VE 5200 GPC autosampler, a  VE  1121  GPC  solvent  pump,  and  a  VE  5710  GPC  degasser  (all  from  Viscotek 

(32)

corporation). A calibration method was created using narrow linear polystyrenes  standards. Corrections for the flow rate fluctuations were made using toluene as  an internal standard.  

 

Static  contact  angle  (CA)  measurements  were  conducted  on  a  KSV  instruments  CAM  200  equipped  with  a  Basler  A602f  camera,  using  5  μL  droplets  of  MilliQ  water and a relative humidity of 50%. The contact angles were determined using  the CAM software. 

 

Tensile  tests  of  the  films  in  Paper  IV  were  performed  with  a  Universal  Materials  Testing  Machine  from  Instron,  equipped  with  a  100  N  or  a  500  N  load  cell. 

Specimens  were  5  mm  wide  and  thicknesses  were  uniform  and  50  ‐  230  μm  depending on composition. Grip distance was 20 mm and testing was performed  at  a  cross‐head  speed  of  2  mm/min.  Specimens  were  conditioned  and  tested  at  50%  relative  humidity  and  23  °C.  Displacement  was  measured  by  differential  speckle photography (DSP). A pattern was prepared for the DSP by printer toner. 

The toughness is defined as work‐to‐fracture calculated from the area under the  stress‐strain curve. 

 

Thermogravimetric  analysis  (TGA)  was  performed  on  a  Mettler  Toledo  TGA/SDTA851e  instrument.  The  samples  in  Paper  I  were  heated  from  40  °C  to  800 °C with a heating rate of 10 °C/min, and a N2 or O2 flow of 50 mL/min. The  samples  in  Paper  V  were  heated  from  30  °C  to  600  °C  with  a  heating  rate  of  10 

°C/min, and a N2 flow of 80 mL/min. 

 

Transmission electron microscopy (TEM) analysis was performed on a Philips Tecnai  10, using an acceleration voltage of 80 kV. The TEM samples were prepared from  cured coatings, cast in epoxy and cut with an ultramicrotome.  

 

UV‐curing  of  the  coatings  was  performed  with  a  Fusion  System  UV‐oven,  equipped with an H‐bulb. The intensity of the UV‐light was 0.1 J/cm2, measured  in the wavelength interval 320–390 nm. 

 

X‐ray  diffraction  (XRD)  analysis  in  Paper  I  was  performed  with  a  single  crystal  diffractometer  STOE  IPDS  in  transmission  mode,  using  molybdenum  radiation  MoKα  (λ≈0.71073  Å),  and  in  Paper  II  with  a  PANalytical  XPert  Pro  powder  diffractometer in reflection mode, using copper radiation, CuKα1 (λ≈1.5406 Å). 

 

References

Related documents

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

This result becomes even clearer in the post-treatment period, where we observe that the presence of both universities and research institutes was associated with sales growth

Data från Tyskland visar att krav på samverkan leder till ökad patentering, men studien finner inte stöd för att finansiella stöd utan krav på samverkan ökar patentering

Generally, a transition from primary raw materials to recycled materials, along with a change to renewable energy, are the most important actions to reduce greenhouse gas emissions

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

This question will be addressed in the form of a case study of film exhibition and film culture in Philadelphia, primarily with respect to the exhibition of

However, to successfully teach culture, media literacy and intercultural competence through film, preparational as well as follow-up work are essential and the

So my theory is that by not only using music, sound and picture, a composer could also work with silence to get to that emotional peak.. I think that by having all four types of