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Grafted polymers on spherical nanoparticles in solution and in polymer melts

Kim, Chang Jong (2014):
Grafted polymers on spherical nanoparticles in solution and in polymer melts.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

Available under: CC-BY-NC-ND 2.5 de - Creative Commons, Attribution NonCommercial, NoDerivs.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Grafted polymers on spherical nanoparticles in solution and in polymer melts
Language: English

The main focus of this work is the experimental observation of the static structure of the grafted chain conformation in a good solvent or in a melt. Therefore, the structural properties of the grafted chains in given conditions were investigated by small angle neutron scattering (SANS), small angle x-ray scattering (SAXS), and dynamic light scattering (DLS) to get insight into the conformation feature of the grafted chains on the spherical substrate, which is expected to be clearly discernible from that of the bulk chains in the same conditions. Polystyrene (PS) was grafted from the surface of silica nanoparticles (diameter 50 nm) and deuterated polystyrene (d-PS) nanoparticles (diameter 40 and 60 nm) using different synthesis methods. The particles had variation in grafting densities and molecular weights of grafted PS, which was expected to influence the conformation of the grafted chains either in a good solvent or in a polymeric matrix. First, the grafted particles were dispersed in good solvents for the experiments, and the results demonstrated that the grafted PS layer on the silica and d-PS particle with a small core size retained the slightly stretched conformation compared to that in the bulk state. For the d-PS particles with a large core, moreover, the grafted chains retained more highly stretched conformation compared to the silica and small d-PS. Second, the conformation of the grafted chains in a melt was investigated by SANS and SAXS. Variation in the molecular weights of the matrix polymer of d-PS allowed for the direct observation of change in the conformation of the grafted PS by means of SANS. The conformation change of the grafted PS was observed for the silica and d-PS particles with a large core and was related to the chain autophobicity driven by wetting or dewetting of the matrix chains. The critical value of the ratio of the molecular weight of the matrix to the grafted PS, where the wetting-dewetting occurs, was found to be small for the d-PS of a large core and large for the silica, which may originate from the difference in grafting densities of the two particle systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die experimentelle Beobachtung der statischen Struktur der gepfropften Polystyrol-Kettenkonformationen in einem guten Lösungsmittel oder in einer Schmelze. Die Struktureigenschaften der gepfropften Ketten wurden mit SANS, SAXS, DLS und TEM untersucht. Dabei zeigte sich ein klarer Unterschied zwischen der Konformation der Ketten im Volumen und der Konformationseigenschaften von Ketten, die auf sphärische Substrate gepfropft wurden. Durch unterschiedliche Syntheseverfahren wurden Polystyrol (PS) auf Silika- Nanopartikel (Durchmesser 50nm) und deuterierte PS Nanopartikel (d-PS, Durchmesser 40 und 60nm) aufgepfropft. Bei den hergestellten Teilchen variierten die Pfropfdichten und die Molekulargewichte der Ketten auf den Kernen. Es ist zu erwarten, dass diese Variation die Konformation der gepfropften Ketten in einem guten Lösungsmittel oder in einer Polymerenmatrix beeinflusst. Zunächst wurden für die Experimente die gepfropften Teilchen in einem guten Lösungsmittel dispergiert und die Ergebnisse zeigten, dass die gepfropfte PS-Schicht auf den Silikapartikeln und auf den kleineren d-PS-Teilchen eine leicht gestreckte Konformation im Vergleich zu der Bulk-Konformation einnehmen. Bei den größeren d-PS-Teilchen zeigte sich eine noch gestrecktere Konformation. Ausserdem wurde die Konformation der gepfropften Kette in einer Schmelze mittels SANS untersucht. Eine Variation der Molekulargewichte der d-PS Polymermatrix ließ eine direkte Beobachtung von der Änderung der gepfropften PS Kettenkonformationen bei den Silikapartikeln und den großen d-PS zu. Die Änderung der gepfropften PS Kettenkonformation zeigt sich durch Be- und Entnetzung (wetting, dewetting) angetrieben durch die Matrixketten. Das kritische Verhältnis von Molekulargewichten zwischen den Matrixpolymerketten und den gepfropften Ketten, bei dem dewetting einsetzt, is klein für größere d-PS Systeme und groß für Silikapartikel. Dies könnte an dem Unterschied der Pfropfdichten der beiden Systeme liegen.

Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics (2021 merged in Institute for Condensed Matter Physics) > Experimental Condensed Matter Physics
Date Deposited: 05 May 2014 11:11
Last Modified: 05 May 2014 11:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39129
Referees: Stühn, Prof.Dr. Bernd ; Feile, Prof.Dr. Rudolf
Date of oral examination: 14 April 2014
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3912
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