Thermo-responsive polymers for preparation of reversible coagulatable and redisperdible latexes

This thesis work focuses on the reversible coagulation/redispersion of polymer nanoparticles (NPs), enabled by thermo-responsive polymers. The products of the emulsion polymerizations are dispersed solutions of particles called latexes. In order to obtain the bulk material, necessary for the production of plastics, resins, glues and many other final products, it is necessary to separate the bulk material from the solvent, through the agglomeration of the latex particles. Industrial processes usually employ salt addition or acidic/alkali solutions for the coagulation of the latexes, which aggregate and precipitate leading to the separation of two solid-liquid phases. These processes produce big amounts of wastewater. In this context, stimuli responsive polymers represent a possible solution for the improvement of the process. Temperature gradients are a stimulus simply tunable, especially in industrial plants, due to high thermic energy present and shared. The utilization of thermo-responsive polymers could lead to the precipitation of the latexes by simply tailoring the temperature. In this work different thermo-responsive NPs, which exhibit upper critical solution temperature (UCST) and lower critical solution temperature (LCST) behaviours were synthetized through reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) emulsion polymerization. Two different UCST block copolymers were formed by using sulfobetaine (SB) and a mixture of sulfobetaine and sulfabetaine (ZB) to form the stabilizing portion of the polymer. On the other hand, NP latexes with a LCST behaviour were produced via the BA emulsion polymerization using poly(ethylene glycol)methylether methacrylate (PEGMA) as the stabilizing part of the copolymer. In this case it was demonstrated the ability of the thermo-responsive system to precipitate as a bulk material through heating above the LCST, and to be redispersed in stable NPs upon cooling.

Questo lavoro di tesi si concentra sulla reversibilità della coagulazione/ridispersione delle nanoparticelle polimeriche (NP), abilitate da polimeri termo-reattivi. I prodotti delle polimerizzazioni in emulsione sono sospensioni di particelle chiamate lattici. Per ottenere il prodotto polimerico solido, necessario per la produzione di materie plastiche, resine, colle e molti altri prodotti finali, è necessario separare il polimero dal solvente, attraverso l'agglomerazione delle particelle. I processi industriali solitamente impiegano l’ aggiunta di sale o acido/alcali per la coagulazione dei lattici, che si aggregano e precipitano portando alla separazione di due fasi solido-liquido. Questi processi producono grandi quantità di acque reflue. In questo contesto, i polimeri rispondenti a stimoli rappresentano una possibile soluzione per il miglioramento del processo. In particolare, i gradienti di temperatura sono uno stimolo semplicemente applicabile, specialmente negli impianti industriali, a causa dell'elevata energia termica presente e condivisa. L'utilizzo di polimeri termo-reattivi potrebbe portare alla precipitazione dei lattici semplicemente adeguando la temperatura. In questo lavoro, diverse NP termo-reattive, che mostrano temperatura critica superiore di solubilità (UCST) e temperatura inferiore critica di solubilità (LCST) sono stati sintetizzati attraverso la polimerizzazione in emulsione a trasferimento di catena di addizione-frammentazione reversibile (RAFT). Sono stati formati due diversi copolimeri a blocchi in grado di mostrare UCST usando la solfobetaina (SB) e una miscela di solfobetaina e solfabetaina (ZB) per formare la porzione stabilizzante del polimero. D'altra parte, i lattici con un comportamento LCST sono stati prodotti mediante la polimerizzazione in emulsione del butil acrilato utilizzando il poli (etilenglicole) metiletere metacrilato (PEGMA) come parte stabilizzante del copolimero. In questo caso è stata dimostrata la capacità del sistema termo-reattivo di garantire la precipitazione del lattice attraverso attraverso il riscaldamento al di sopra della LCST e di essere ridisperso in NP stabili tramite raffreddamento.