Ionic copolyesters and their nanocomposites: synthesis, characterization and properties

Abstract

A polymer containing small amounts of ionic groups either along the polymer backbone chains or as pendant groups is defined as ionomer. As originally proposed by Eisenberg, the interaction between ionic groups leads to the formation of multiplets containing a small number of ion pairs, and also to ionic clusters, which constitute a second phase made of many multiplets as well as portions of the hydrocarbon chains. These ionic structures have been shown to act as strong electrostatic cross-links, which provide altered physical properties, such as enhanced mechanical properties and high melt viscosity, among others.
 Both aromatic polyesters as aliphatic are polymeric materials widely used today. Their most familiar applications are in clothing, food packaging and water and carbonated soft drinks bottles. Major part of biodegradable synthetic polymers are polyesters, and in particular, aliphatic polyesters. Monomers for the latter can be synthesized from renewable resources. Biodegradable polyesters play a key role in medical applications due to their biodegradability and versatile synthesis able to afford tailored properties; they are currently employed as biomaterials for medical purposes such as surgical sutures, scaffolds, screws and reinforcing plates as well as controlled release drug carriers, since they are biocompatible and nontoxic.
 This thesis is focused to the chemical modification of aromatic and aliphatic polyesters through the incorporation of various concentration and different ionic groups. We synthesized poly(hexamethylene terephthalate) and poly(butylene succinate)-based ionomers and investigated the effects of the ionic substitution on physical properties, crystallization rates and hydrodegradability of these polyester ionomers. In addition, we also studied the influence of the ionic interaction with nanoclays in the formation of ionomers-based nanocomposites. This thesis embodies a multidisciplinary task work that includes synthesis, spectroscopy characterization, evaluation of thermal and mechanical properties, hydrolytic degradation and nanocomposites preparation: the synthesis procedure of copolyesters was made in all cases by polycondensation in melt-phase. Different conditions of temperature, catalyst and time required were used for each family of copolyesters depending on both the stability and the reactivity of the comonomers involved in the synthesis. The copolyesters synthesized incorporated sulfonated, ammonium, trimethylamonium and tributylphosphonium ionic groups into their chains. The hydrolytic degradation results suggest that the insertion of sulfonated groups in the copolyesters make them more hydrophilic allowing better solvation and an easier attack of water on the ester groups.
 Nanocomposites with nanoclays were obtained by using different approaches for mixing and in some cases by making use of compatibilizers. Octadecyltrimethylammonium, 1,12-dodecylenediammonium salts and a terpolyester ionomer were used for compatibilization. The clay was used either unmodified or modified with alkylammonium soaps. Results obtained by the different procedures were compared and the effect of the compatibilizers on the mixing efficiency and composite properties were evaluated.
 Characterization was carried out by 1H and 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, FTIR spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC), differential scanning calorimetry (DSC), and thermogravimetry analysis (TGA). The changes in crystal structure upon copolymerization were followed by X-ray diffraction (XRD). Un polímero que contiene pequeñas proporciones de grupos iónicos, ya sea a lo largo de la cadena principal como en los grupos laterales, es definido como ionómero. Según lo propuesto originalmente por Eisenberg, la interacción entre los grupos iónicos conduce a la formación de multipletes que contienen un grupo reducido de pares iónicos, y también a la formación de clusters, los cuales constituyen una segunda fase compuesta de muchos multipletes, así como de porciones de cadena hidrocarbonada. Estas estructuras iónicas han demostrado actuar como enlaces electrostáticos fuertes entrecruzados, los cuales producen modificacion en las propiedades físicas tales como una mejora de las propiedades mecánicas y un incremento en la viscosidad en fundido, entre otras. Tanto los poliésteres aromáticos como los alifáticos son materiales poliméricos usados ampliamente en la actualidad. Sus aplicaciones más conocidas van desde el campo textil hasta el envasado de alimentos y líquidos como el agua o bebidas carbónicas. La mayoría de los polímeros sintéticos biodegradables son poliésteres alifáticos. Estos poliésteres suelen ser biocompatibles y no tóxicos y juegan un papel clave en aplicaciones médicas debido a su síntesis versátil capaz de proporcionar propiedades a medida. Actualmente se vienen empleando como biomateriales en suturas quirúrgicas, implantes óseos porosos, tornillos y placas de refuerzo, así como portadores de fármacos de liberación controlada. Esta tesis está enfocada en la modificación química de poliésteres aromáticos y alifáticos mediante la incorporación de diferentes grupos iónicos y con diversas concentraciones. Se han sintetizado ionómeros en base al poli(hexametilen tereftalato) y poli(butilen succinato) y se han investigado los efectos de la sustitución iónica sobre las propiedades físicas, velocidades de cristalización e hidrodegradabilidad de estos poliésteres. Además, se ha estudiado la influencia de las interacciones iónicas con nanoarcillas en la formación de nanocompuestos a base de ionómeros. Esta tesis supone un trabajo multidisciplinar que incluye síntesis, caracterización espectroscópica, evaluación de propiedades térmicas y mecánicas, estudio de la degradación hidrolítica y preparación de nanocompuestos; el proceso de síntesis de los poliésteres ha sido realizado en todos los casos mediante policondensación en estado fundido. Se han utilizado condiciones diferentes de temperatura, catalizador y tiempo para cada familia de poliésteres dependiendo de la estabilidad y de la reactividad de los comonomeros involucrados en la síntesis. Los copoliésteres sintetizados incorporaron en sus cadenas grupos iónicos sulfonados, amonio, trimetilamonio y tributil fosfonio. Los resultados de la degradación hidrolítica sugieren que la inserción de grupos sulfonados en los poliésteres, los hace más hidrofílicos permitiendo una mejor solvatación y un ataque más fácil del agua a los grupos éster. Los nanocompuestos con nanoarcillas fueron obtenidos mediante diferentes metodologías de mezclado y en algunos casos haciendo uso de compatibilizadores. Para la compatibilización se usaron el bromuro de octadeciltrimetilamonio, el dicloruro de 1,12-dodecildiamonio y un ionómero terpoliéster. Se empleó la arcilla montmorillonite tanto sin modificar como modificada con grupos alquilamonio. Se compararon los resultados obtenidos mediante los diferentes procedimientos y se evaluaron los efectos de los compatibizadores en la eficacia de mezclado y en las propiedades de los composites. La caracterización se llevó a cabo mediante resonancia magnética nuclear de 1H y 13C (NMR), espectroscopia de infrarrojo, cromatografía de exclusión molecular (GPC), calorimetría diferencial de barrido (DSC), y análisis de termogravimétrico (TGA). Los cambios en la estructura cristalina debidos a la copolimerización fueron seguidos mediante difracción de rayos X (XRD).