Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5560
Main Title: Synthesis of nano-scale materials through miniemulsion polymerization method and their application in textiles
Translated Title: Herstellung von Nanopartikeln durch Miniemulsion-Polymerization und deren Anwendung in Textilstoffen
Author(s): Elgammal, Mahmoud
Advisor(s): Gradzielski, Michael
Referee(s): Gradzielski, Michael
Laschewsky, André
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The present work deals with the preparation of nanosized copolymer latexes by the polymerization in miniemulsions prepared by the classical high energy and the low energy phase inversion concentration (PIC) methods. In addition, the encapsulation of various organic pigments with copolymer latex layers was carried out on the basis of miniemulsion polymerization. The obtained nanosized copolymer particles or encapsulated pigments have been successfully used as binders or hybrid binders for textile printing applications. The first part deals with the preparation of nanosized copolymer latexes in a diameter size range between (50-100 nm) by the classical miniemulsion polymerization method. The copolymer latexes composed mainly of a high content of the soft butyl acrylate monomer (BA) and a low content of the hard methyl methacrylate (MMA) monomer. The addition of small amounts of functional monomers such as methacrylic acid MAA and N-methylol acrylamide NMA to some miniemulsion recipes allowed to impart cross-linking sites and functionality to the copolymer chains. The particle size analysis, structure characterization and thermal properties of the latexes were investigated by many analytical techniques such as dynamic light scattering (DLS), small angle neutron scattering (SANS), transmission electron microscopy (TEM), gel permeation chromatography (GPC), and differential scanning calorimetry (DSC). The optimized miniemulsion latexes were applied successfully as binders for the pigment printing and inkjet printing of cotton fabrics. The main objective of this part was to examine the application of the miniemulsion latexes as binders in the textile printing processes in order to reduce the risk of agglomeration and cloaking of the printer screens and nozzles during the printing process. The evaluation of the printed fabrics showed that the miniemulsion binders with their smaller size offered technological advantages over the conventional processes for the conventional and inkjet printing processes as well as the better print properties. Accordingly by optimized use of the miniemulsion method one is not only able to control the particle size but also to improve the properties of these latexes for textile applications. In the second part, we studied the encapsulation of organic pigments with polymer latex layers by miniemulsion polymerization. Such polymer-encapsulated pigments then can be applied for inkjet printing without addition of separate binder additives, thereby reducing the risk of unfavorite interactions between the separate latex and pigment particles. The encapsulation of C.I. Pigment red 112 was systematically studied by a miniemulsion polymerization of pigment/butyl acrylate-co-methyl methacrylate (BA-MMA) or styrene-co-butyl acrylate (St-BA) copolymers. The ratio of monomer to pigment was varied in order to find optimum conditions for the preparation of self-curable hybrid pigment inks for the textile inkjet printing application. The particle size and polydispersity of the pigment dispersions and pigment hybrid latex particles were investigated by dynamic light scattering (DLS), disc centrifuge particle size analyzer and transmission electron microscopy (TEM). The efficiency of the polymer encapsulation and the thermal properties of the hybrid inks were studied by thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The evaluation of the inkjet printing of cotton fabrics with different encapsulated and non-encapsulated pigment colors showed that the encapsulated inks without addition of separate polymer latex binder generate fully satisfying values that compare favourably in terms of color strength, rubbing and washing fastness to the non-encapsulated conventional inks, while avoiding problems of clogging and colloidal instability. In the last part, the low energy phase inversion composition (PIC) method was used for the formation of monomer based nanoemulsions from a system composed of monomer/Brij78/water. These nanoemulsions were used as templates for generating polymer and copolymer nanoparticles. Styrene was used as monomer for studying the phase diagram, where parameters such as the O/S ratio and water addition rate influence the formation of the nanoemulsion and the structure of the final polymer particles. Hexadecane was added to the oil phase with a concentration 4 wt% (relative to the oil) to achieve stability against Oswald ripening. Nanoemulsions with a fixed water content of 80 wt% and O/S ratios from 0.25 to 9 generated polymer particles with diameters between 30 to 110 nm as determined from dynamic light scattering and transmission electron microscopy. The polydispersity of the polymer nanoparticles was found to be dependent on the O/S ratio. Different copolymer latexes based on styrene, butyl acrylate and methyl methacrylate were prepared with a fixed O/S ratio 9 and water content 80 %, applied successfully as binders for the inkjet printing of cotton fabrics and compared to corresponding copolymer latexes prepared by the high-energy methods or the conventional methods. The results indicated that PIC method constitutes a very interesting and innovative way to generate nanosized polymer latex particles using a simple setup of emulsification experiments.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Herstellung von Copolymer Latices durch die klassische Miniemulsionspolymerisation und die bisher hierfür noch wenig eingesetzte Phase Inversion Concentration (PIC) Methode untersucht. Zudem wurde die Verkapselung verschiedener Pigmentfarben über das Konzept der Miniemulsionspolymerisation durchgeführt. Die durch die verschiedenen Methoden hergestellten Copolymer Teilchen bzw. die verkapselten Pigmente wurden erfolgreich als Bindemittel für Textildruckanwendungen angewendet. Das erste experimentelle Kapitel beschäftigt sich mit der Herstellung von Copolymer Latices im Größenbereich von 50-100 nm hergestellt durch die klassische Miniemulsionspolymerisation. Diese Copolymer Latices bestehen hauptsächlich aus einem hohen Anteil an weichem Butylacrylat-Monomers (BA) und einem niedrigen Gehalt an hartem Methylmethacrylat (MMA) Monomer. Die strukturelle Charakterisierung und die thermischen Eigenschaften der Latex Teilchen erfolgte durch viele analytische Verfahren, wie dynamische Lichtstreuung (DLS), Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) und Registrierende Differentialkalorimetrie (DSC). Die optimierten Miniemulsion Latices wurden dann erfolgreich als Bindemittel für den Pigmentdruck und Tintenstrahldruck von Gewebe aus Baumwolle eingesetzt. Das Hauptziel dieser Teil der Arbeit war es, die Anwendung der Miniemulsion Latices als Bindemittel in Textildruckverfahren zu untersuchen, wobei diese das Risiko von Agglomeration und damit das Verstopfen der Düsen während des Druckprozesses verringern sollen. Dieser Nachteil resultiert meist aus unerwünscht hohen Partikelgrößen, der Form der herkömmlichen Bindemitteln oder auch anderen Bestandteilen. Die Auswertung der Druckexperimente ergaben, dass die Miniemulsion basierten Bindemittel mit ihrer geringeren Größe technologische Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren bieten, sowohl für das konventionelle Druckverfahren als auch für das Tintenstrahldruckverfahren und dabei auch zu verbesserten Druckeigenschaften führen. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Verkapselung des organischen Pigments durch Polymerlatex Schichten, um die Agglomeration der Pigmentpartikel zu minimieren und ihre Stabilität und Dispergierbarkeit zu verbessern, was zu deren verbesserten Anwendbarkeit beitragen soll. Die Verkapselung der Pigmente wurde durch Miniemulsionspolymerisation mit verschiedenen Monomeren wie Styrol, Methylmethacrylat oder Butylacrylat durchgeführt. Die Analyse der Partikelgröße sowie der Einkapselungseffizienz der verkapselten Pigmente wurde mit Hilfe vieler analytischer Methoden untersucht und mit den nicht verkapselten Pigmenten verglichen. Die verkapselten Pigmente wurden dann erfolgreich als Tinten formuliert und ohne technische Probleme, wie das Verstopfen der Düsen der Druckmaschinen, für das Tintenstrahldrucken von Gewebe aus Baumwolle verwendet. Der letzte Teil des Projektes beschäftigte sich mit der Herstellung von Latex Teilchen mit einem Durchmesser von ca. 30-100 nm, die durch Nanoemulsionspolymerisation hergestellt wurden, wobei die Nanoemulsionen durch die Phase Inversion Concentration (PIC) Methode hergestellt wurden. Die monomerhaltigen Nanoemulsionen waren Systemen bestehend aus Wasser, Monomer und nichtionischen Tensids. Wir verwendeten Styrol als Monomer für die systematische Untersuchung des Phasenverhaltens und der Bildung der Monomer-Nanoemulsion sowie deren anschließender Polymerisation. Das Phasenverhalten des Systems aus Wasser / Brij 78 (Polyoxyethylen (20) Stearylether) / Styrol ergab den geeigneten Bereich, in dem mit Monomer Nanoemulsionen gebildet werden können. Die Polymerisation in den PIC Nanoemulsionen wurde dann mit verschiedenen Monomeren durchgeführt, um entsprechend unterschiedliche Copolymerpartikel zu synthetisieren. Die Nanoemulsion Latices wurden dann wiederum für die Anwendung als Bindemittel für die normale Bedruckung und den Tintenstrahldruck von Gewebe aus Baumwolle getestet und verglichen mit Copolymeranaloga die über das klassische Miniemulsionsverfahren erhalten worden waren. Diese zeigte, dass die Untersuchung solcher PIC Nanoemulsionen und deren anschließende Polymerisation eine sehr interessante und innovative Möglichkeit darstellt, um neuartige Nanopolymerlatexpartikel für Druckanwendungen zu erzeugen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5973
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5560
Exam Date: 1-Apr-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 4-Nov-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
Subject(s): miniemulsion polymerization
phase inversion composition
pigment encapsulation
textile pigment printing
inkjet printing
Miniemulsionspolymerisation
Phaseninversionsprozess
Pigmentverkapselung
Textildruckanwendungen
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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