Stable colloidal dispersions of magnetic nanoparticles in aqueous media and polymer melts

Abstract

The work presented as part of this thesis describes a process to obtain two types of conventionally used magnetic nanoparticles, magnetite and cobalt ferrite, with a narrow size distribution that can be suspended in aqueous media by surface modification using a functional poly (ethylene glycol). Suspensions of these functionalized magnetic nanoparticles using polymers of different lengths were used to study particle stability in water at physiological conditions using dynamic light scattering and zeta potential measurements. Saturation magnetizations, energy dissipation capacities, blocking temperatures, and the magnetic anisotropy constant were analyzed for magnetic nanoparticles with the same magnetic core and size and different polymer grafting densities. Magnetic suspensions in poly(ethylene glycol) with different mechanical and rheological properties were studied using dynamic susceptibility as a function of temperature to explore its use as a mechanism to study transitions in thermo-responsive polymers such as gels and in crystalline polymers. These nanoparticles were used to extract the viscosity of polymer melts using oscillatory measurements as a function of frequency from the small-molecule liquid-like to the entangled polymer. The local viscosity, or so called “nano-viscosity”, obtained using magnetic measurements was compared to the bulk viscosity measured using conventional techniques. To our knowledge, these results comprise the first study on rotational motion of nanoparticles (10-9 m) in polymer melts where evidence based on small molecules (10-10 m) suggests that conventional hydrodynamic models fail to predict the rotational friction.

El trabajo presentado como parte de esta tesis describe el proceso para obtener dos clases de nanopartículas magnéticas, magnetita y ferrita de cobalto, típicamente usadas con una distribución estrecha de tamaños que pueden ser suspendidas en medio acuosos mediante la modificación de superficie usando poli(glicol de etileno) funcionalizados. Aspectos fundamentales relacionados a estabilidad coloidal y propiedades magnéticas en condiciones fisiológicas fueron estudiados para suspensiones de partículas magnéticas funcionalizadas con polímeros de diferentes largos de cadena usando técnicas de dispersión dinámica de luz y potencial zeta. Suspensiones magnéticas en poli(glicol de etileno) con diferentes propiedades mecánicas y reológicas son estudiadas utilizando la susceptibilidad dinámica para explorar su uso como un mecanismo que permita detectar transiciones en polímeros termo-sensibles como son las geles y los polímeros cristalinos. Este mismo sistema de partículas es usado para obtener viscosidades en polímeros derretidos utilizando medidas AC como función de frecuencia desde el régimen de un líquido compuesto por moléculas pequeñas hasta el comportamiento de tipo polímero entrecruzado. La viscosidad local, o lo que se conoce como la “nano-viscosidad”, obtenida mediante mediciones magnéticas es comparada con la viscosidad medida usando técnicas convencionales reológicas. Basado en nuestro conocimiento, este trabajo es el primero en utilizar mediciones magnéticas de este tipo para extraer propiedades mecánicas y reológicas en polímeros utilizando partículas con tamaños en el orden de 10-9 m. Trabajos reportados usando moléculas del orden de 10-10 m en polímeros derretidos indican que los modelos hidrodinámicos convencionalmente usados para predecir lar fricción rotacional de partículas fallan en dichos casos.