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Polymer blending as a surface modification technique to alter the wettability of hydrophobic electrospun mats

Salles Kurusu, Rafael (2016). Polymer blending as a surface modification technique to alter the wettability of hydrophobic electrospun mats. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this thesis, blending as a surface modification technique to change the wettability of hydrophobic electrospun mats was investigated. In the first step, SEBS, chosen as the hydrophobic matrix was blended with amphiphilic PEO-PPO-PEO copolymer. The results showed that hydrophilization was achieved with 15 wt% of PEO-PPO-PEO in the SEBS/PEO-PPO-PEO mats with great surface segregation. But although hydrophilic, this composition presented nonuniform surface coverage and wettability. A microscopic analysis revealed that the composition with 20 wt% of PEO-PPO-PEO presented a peculiar rough interconnected grain-like morphology on the surface of the films and fibers that contributed to more homogeneous surface properties. In the next step, three different types of commercially available PEO-PPO-PEO copolymers with different molecular weight and PEO content were used to hydrophilize SEBS. Segregation to the surface increased in the blends of SEBS with smaller PEO-PPO-PEO molecules with higher proportion of hydrophobic PPO blocks. Hydrophilization was achieved with as little as 5 wt% of PEOPPO-PEO and complete surface saturation was also observed at higher PEO-PPO-PEO contents. Blends with liquid PEO-PPO-PEO presented leaching when in contact with water. High-speed imaging and wicking measurements were performed to distinguish between different hydrophilic mats, and the results showed that the spreading time and wicking rate varied greatly according to the level of segregation and the type of PEO-PPO-PEO used in the blends. The last part of this thesis is a comparison of blending hydrophobic polymers with either hydrophilic PEO or amphiphilic PEO-PPO-PEO polymers to achieve hydrophilization. The results showed that the presence of low surface energy PPO blocks greatly increased the segregation of PEO-PPO-PEO. Blends with pure PEO presented surface depletion and hydrophilization was not achieved in the range of compositions tested (0-20 wt%). Surprisingly, the segregation of PEO-PPO-PEO continued over weeks at room temperature. Theoretical results showed that the equilibrium morphology for the SEBS/PPO system corresponds to a complete wetting layer of PPO over SEBS, which supports the experimental results of complete coverage for some of the SEBS/PEO-PPO-PEO blends and also the aging results that showed a continued segregation to form a PPO layer. The ability of the matrix to allow PEO-PPO-PEO movement over time was also analyzed by comparing the segregation of this copolymer inside SEBS and pure PS. The former presented major segregation due to a higher fraction of free volume at room temperature while the latter practically presented no segregation over time.

Titre traduit

Les mélanges de polymères comme technique de traitement de surface pout altérer la mouillabilité des tapis électrofilés

Résumé traduit

Dans cette thèse, l’utilisation des mélanges de polymères comme technique de modification de surface pour contrôler la mouillabilité des tapis électrofilés a été étudiée. Dans la première étape, une matrice hydrophobe (SEBS) a été mélangée avec un copolymère amphiphile (PEO-PPO-PEO) et les résultats ont montré que l'hydrophilisation a été réalisée avec 15% en poids de PEO-PPO-PEO avec une grande ségrégation à la surface. Cependant, cette composition a présenté des propriétés de surface non homogènes. Une analyse microscopique a révélé que la composition à 20% en poids de PEO-PPO-PEO a présenté une morphologie particulière avec des grains interconnectés qui a augmenté la rugosité de la surface des films et des fibres et qui a contribué aux propriétés de surface plus homogènes. Dans l'étape suivante, trois types de copolymères PEO-PPO-PEO avec des poids moléculaires et des contenus de PEO différents ont été utilisés pour hydrophiliser le SEBS. La ségrégation à la surface a augmentée dans les mélanges de SEBS avec des molécules PEO-PPO-PEO plus petites et avec une proportion plus élevée de blocs hydrophobes PPO. L’hydrophilisation a été réalisée avec aussi peu que 5% en poids de PEO-PPO-PEO et la saturation de la surface a également été observée. L'imagerie à grande vitesse et les mesures à effet de mèche ont montré que le temps d'étalement et de remontée capillaire varient grandement en fonction du niveau de la ségrégation et le type de PEO-PPO-PEO utilisé dans les mélanges. La dernière partie de cette thèse est une comparaison des mélanges des polymères hydrophobes soit avec un polymère hydrophile (PEO) ou avec des polymères amphiphiles (PEO-PPO-PEO) pour atteindre l’hydrophilisation. Les résultats ont montré que la présence des blocs PPO avec une faible énergie de surface a augmenté considérablement la ségrégation des polymères PEO-PPO-PEO vers la surface tandis que les mélanges avec PEO pur ont présenté une diminution de PEO dans la surface. De manière surprenante, la ségrégation de PEO-PPO-PEO a continué pendant plusieurs semaines à température ambiante. Les résultats théoriques ont montré que la morphologie d'équilibre pour le système SEBS/PPO correspond à une couche de PPO (mouillage complet) sur le SEBS, ce qui confirme les résultats expérimentaux de la couverture complète dans certains mélanges ainsi que les résultats de vieillissement. La capacité de la matrice de permettre le mouvement de PEO-PPO-PEO a également été analysée en comparant la ségrégation de ce copolymère à l'intérieur du SEBS et du PS pur. Dans le premier, la ségrégation a été élevée en raison d'une plus grande fraction de volume libre à la température ambiante tandis que dans le dernier aucune ségrégation au fil du temps n’a été observée.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 145-171.
Mots-clés libres: Alliages de polymères. Traitement de surface Technique. Électrofilature. Surfaces hydrophobes. Mouillabilité. Chimie des surfaces. mélanges de polymères, électrofilage, modification de surface
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Demarquette, Nicole R.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 mars 2017 17:06
Dernière modification: 07 mars 2017 17:06
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1824

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