Rheology of rodlike nanoparticle suspensions in lyotropic liquid crystalline polymers

Abstract

Liquid crystalline polymers are ideal to develop oriented and anisotropic materials. The incorporation of a nanoparticle may improve or add properties to a matrix. Small concentrations of particles smaller than the liquid crystal structural features do not affect the structure of the phase, or consequently, its properties. Similarly, small loadings of cylindrical particles may modify the rheological and electrical properties of a liquid crystal. Yet, unfavorable effects will be expected as the loading increases. It was expected that rod-like nanoparticles may be incorporated into a liquid crystalline polymer and oriented along the nematic director. Moreover, both components may be oriented using external fields. Therefore, solutions of cylindrical nanoparticles and liquid crystalline polymers may be useful to obtain oriented multifunctional materials. In this research, the rod-like nanoparticle loading effect on the rheological and viscoelastic properties of both an isotropic and a liquid crystalline polymer solutions were determined. The inclusion of multiwalled carbon nanotubes and halloysite nanoclays up to 0.45 wt% does not affect the viscosity, neither the viscoelastic properties, of a liquid crystalline hydroxypropylcellulose solution. A maximum viscosity and viscoelastic moduli were obtained at 10 wt% of the halloysite. No indication of percolation neither changes on the polymer dynamics was obtained suggesting that the nanoparticle were oriented along the nematic director. A decrease of the steady-state viscosity and viscoelastic properties of isotropic polymer solutions was observed at small particle loadings.  - potential measurements demonstrated the formation of core (nanoparticle) – shell (polymer) structures. POM measurements suggest that the polymer shell around the halloysite nanoclays have a preferential orientation on a macroscopic scale. The effect of the application of an electric field on the rheological and viscoelastic properties was also determined for both a non- and electrorheological polymer solution loaded with multiwalled carbon nanotubes. It has been demonstrated that an electric field is not a feasible method to control the orientation of carbon nanotubes suspensions since it promotes the agglomeration of the nanoparticles, affecting the properties of a non-electrorheological hydroxypropylcellulose polymer solution. Yet, the application of a flow field can be used to obtain materials with oriented rod-like nanoparticles.

Los polímeros líquidos cristalinos son ideales para ser utilizados en el desarrollo de materiales orientados y anisotrópicos. Incorporar nanopartículas a una matriz polimérica puede añadir o mejorar las propiedades de dicha matriz. Pequeñas concentraciones de partículas isotrópicas, de un tamaño menor que la longitud estructural de la fase líquida cristalina, no afectan la estructura de dicha fase y, por consiguiente, sus propiedades. Similarmente, si partículas cilíndricas son incorporadas en dicha matriz, cambios favorables pueden ser inducidos al utilizar una concentración pequeña partículas. Sin embargo, un deterioro de dichas propiedades se espera al aumentar la concentración de partículas. Se espera que partículas cilíndricas puedan ser incorporadas en un polímero líquido cristalino y orientarlas a lo largo del director nemático. Además, tanto los nanotubos como los polímeros líquidos cristalinos pueden ser orientados mediante la aplicación de un campos externo. Por lo tanto, soluciones de nanotubos y polímeros líquidos cristalinos pueden ser útiles para desarrollar materiales orientados y multifuncionales. En esta investigación, el efecto de añadir partículas cilíndricas en las propiedades reológicas y viscoelásticas de soluciones poliméricas en estado isotrópico y líquido cristalino fue determinado. La inclusión de partículas hasta una concentración de 0.45 porciento por peso de nanotubos de carbono de paredes múltiples o haloisita no afecta significativamente la viscosidad en estado estacionario, ni las propiedades viscoelásticas de una solución líquida cristalina de hidroxipropilcelulosa. Un valor máximo tanto en la viscosidad como en los módulos elásticos se obtuvo al añadir una concentración de haloisita de 10 porciento por peso. Los resultados no demuestran la percolación de las partículas ni cambios en la estructura de la fase líquida cristalina, lo que sugiere que las partículas están orientadas a lo largo del director nemático. Por otra parte, una disminución en la viscosidad y en las propiedades viscoelásticas se observó al añadir pequeñas concentraciones de partículas a una solución isotrópica. Medidas del potencial  sugieren que este efecto es debido a la formación de estructuras de núcleo y coraza, en las cuales el núcleo está compuesto por las nanopartículas y la coraza por moléculas de polímero. Imágenes ópticas sugieren que la capa de polímero alrededor de la haloisita posee una orientación en una dirección preferencial en una escala macroscópica. Por otro lado, el efecto al añadir un campo eléctrico en las propiedades reológicas y viscoelásticas fue determinado tanto para una matriz electroreológica como otra que no lo es, ambas con nanotubos de carbono de paredes múltiples. Se demostró que un campo eléctrico no es un método adecuado para controlar la orientación de nanotubos de carbono, ya que el mismo fomenta la aglomeración de las nanopartículas afectando las propiedades de una matriz que no responde a campos eléctricos. A pesar de esto, la aplicación de un flujo puede ser utilizado para obtener materiales con partículas cilíndricas orientadas en una dirección preferencial.