Synthesis and characterization of bulk and colloidal magnetic polymer nanocomposites

Abstract

The development of bulk and colloidal latex polymer nanocomposites of poly (methyl methacrylate) (PMMA) with embedded magnetic nanoparticles particles was investigated. The first approach consisted of the preparation of magnetic PMMA nanocomposites using oleic acid coated cobalt ferrite and magnetite nanoparticles for subsequent characterization of their magnetic properties. It was found that the cobalt ferrite nanocomposite had magnetic hysteresis at 2 and 300 K as well as the magnetite nanocomposite had magnetic hysteresis at 2 K and superparamagnetic behavior at 300 K. Both nanofillers had a similar effect in shifting the glass transition temperature from that of the neat polymer. The influence of cobalt ferrite nanofiller surface chemistry on the thermal, mechanical, and magnetic properties of PMMA nanocomposites was also studied by comparing nanofillers coated with oleic acid (OA, which does not covalently bond to the PMMA matrix) and 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS, which covalently bonds to the PMMA matrix). The values of the degradation temperature (Td) and glass transition temperature (Tg) increased relative to the neat amount polymery when the nanofillers were introduced into the nanocomposites. The greater increase in thermal stability of the nanocomposite with MPS-coated nanoparticles was due to chemical bonding between the acrylate group in MPS and the PMMA. The nanocomposite filled with nanoparticles functionalized with OA showed slightly higher values of magnetic saturation and coercivity compared with those grafted with MPS. Magnetic polymer nanospheres of PMMA with embedded CoFe2O4 nanoparticles were synthesized by magnetic miniemulsion polymerization. The average diameter of the CoFe2O4/PMMA nanospheres was controlled by varying the amount of surfactant. Dynamic light scattering analysis (DLS) of the magnetic polymer nanospheres showed that the average hydrodynamic diameter increased from 145 nm to 225 nm due to the increase in the concentration of the surfactant. The magnetic properties of nanospheres were investigated by measuring the magnetization curves and the complex susceptibility. The particles were found to respond to alternating fields by Brownian magnetic relaxation.

El desarrollo de nanocompuestos poliméricos en forma coloidal (latex) y en forma de “bulk” de polimetacrilato de metilo con nanopartículas magnéticas incrustadas fue investigado. El primer acercamiento consistió en la preparación de nanocompuestos magnéticos de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) usando nanopartículas de magnetita y de cobalto ferrita, recubiertas de ácido oleico (OA) en su superficie, los cuales fueron posteriormente caracterizados magnéticamente. Se encontró que los nanocompuestos con cobalto ferrita presentaron histéresis a temperatura de 2 a 300 K y los nanocompuestos con magnetita una histéresis a 2 K, además de comportamiento superparamagnético a 300 K. Ambos nanorrellenos demostraron similar efecto en el desplazamiento de la temperatura de transición vítrea comparada con la del polímero sin modificar. También se estudió la influencia de la superficie de las nanopartículas de cobalto ferrita utilizadas para la preparación de nanocompuestos de PMMA, funcionalizando las nanopartículas con ácido oleico (AO, el cual, no hace enlace con la matriz polimérica de PMMA) y 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (MPS, el cual hace enlace covalente con la matriz polimérica del PMMA). Las temperaturas de degradación (Td) y temperatura de transición vítrea (Tg) incrementaron cuando las nanopartículas fueron introducidas dentro del nanocompuesto, comparadas con el polímero sin modificar. El mayor incremento en la estabilidad termal fue observado en los nanocompuestos con MPS, debido al enlace químico entre el grupo acrilato del MPS y el PMMA. Los nanocompuestos rellenos con nanopartículas funcionalizadas con OA mostraron un valor levemente mayor de saturación de magnetización y coercividad comparada con aquellos funcionalizados con MPS. Nanoesferas magnéticas de polímero de PMMA con nanopartículas incrustadas de CoFe2O4 fueron sintetizadas por polimerización de mini emulsión magnética. El diámetro promedio de las nanoesferas de CoFe2O4/PMMA fue controlado variando la cantidad de surfactante. Análisis de dispersion de luz dinamica (DLS) de las nanoesferas poliméricas magnéticas mostró que el diámetro hidrodinámico promedio incrementa desde 145 nm hasta 225 nm debido al incremento en la concentración del surfactante. Las propiedades magnéticas de las nanoesferas fueron investigadas midiendo la curva de magnetización y la susceptibilidad. Las partículas respondieron a un campo magnético alternante mediante una relajación magnética Browniana.