Probing nanoscale viscosity in polymer melts using magnetic nanoparticles.

Abstract

Oleic acid coated cobalt ferrite nanoparticles (CoFe2O4-OA), which relax through the Brownian mechanism, were dispersed in Polystyrene (PS) and Polybutadiene (PBD) of various molecular weights (MW). These suspensions were characterized by AC susceptibility measurements at various temperatures to determine the Brownian relaxation times of the nanoparticles in the polymer melts, with the objective of using the Debye model to determining the viscosity that the particles “feel” (i.e. “the nanoviscosity”) and compare these with macroscopic rheological measurements. Because accurate determination of MW is of essential importance to this study, all the samples were characterized using Gel Permeation Chromatography (GPC). The nanoparticles were synthesized through the high temperature thermal decomposition of organometallic precursors in organic solvents, which render particles with narrow size distribution and Brownian behavior up to at least 400 K. The colloidal stability of the nanoparticles in polymer melts was studied, as aggregates form anisotropic structures, precluding the use of the Debye model for the AC susceptibility in viscosity determination. Flory-Higgins interaction parameters between the nanoparticle surface and the polymers were calculated to predict miscibility, and good qualitative agreement was found with the experiments. The state of the nanoparticles, aggregated or dispersed, was studied using small angle xray scattering (SAXS) and transmission electron microscope (TEM), and was compared with susceptibility measurements. Good agreement was found between TEM images and susceptibility measurements. Nanoscale viscosities were higher than the macroscopic counterpart, which could be attributed to slight particle agglomeration in the polymer melt.

Nanopartículas magnéticas de ferrita de cobalto recubiertas con ácido oleico, las cuales tienen el dipolo magnético fijo por lo que se relajan por el mecanismo de Brown, fueron suspendidas en poliestireno y polibutadieno de diferentes pesos moleculares. Estas suspensiones de partículas fueron caracterizadas por susceptibilidad magnética a un campo alternante con la intención de determinar sus tiempos de relajamientos Brownianos en los polímeros y utilizar el modelo de Debye para correlacionar con la viscosidad que las partículas sienten (“nanoviscosidad”) y comparar con la macroviscosidad medida en un reómetro. Dado a que el peso molecular exacto de cada muestra es crucial para este estudio, la técnica de cromatografía de premiación de gel será utilizada para caracterizar los polímeros que serán usados en este estudio. Las nanoparticulas fueron sintetizadas usando el método de termo-descomposición de precursores organometalicos, del cual se obtienen partículas que se relajan por el mecanismo de Brown hasta temperaturas tan altas como 400K. La estabilidad coloidal es crucial para este estudio y fue monitoreada, ya que la agregación de partículas nos inhibe de poder usar el modelo de Debye para estimar viscosidad. Parámetros de Flory-Huggins fueron calculados para predecir la estabilidad de las partículas en diferentes polímeros. Microscopio de transmisión de electrones (MTE) y dispersión de rayos x a ángulos pequeños fueron utilizadas para estudiar la agregación de partículas y comparar con medidas de susceptibilidad magnética. Se encontró buen acuerdo entre las imagines de MTE y medidas de susceptibilidad magnética. Valores obtenidos para la nanoviscosidad fueron mayores que los obtenidos por reometría convencional. Esta diferencia puede ser adjudicada a ligera agregación de partículas en el polímero.