Dynamics of Polymer in Confined Environment
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Die Oberflächenmodifizierung von Nanopartikeln mithilfe von Polymerbürsten ist ein effizienter Ansatz zur Steuerung der Oberflächeneigenschaften von Nanopartikeln und ihres Verhaltens in Suspensionen. Die Konformation der angebrachten Polymerketten wird durch die Architektur der Polymerbedeckung beeinflusst, wie beispielsweise der Pfropfdichte oder der Länge der Polymerketten. Die eingeschränkte Konformation von Polymerbürsten auf einem gekrümmten Substrat beeinflusst die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Polymerketten und das kolloidale Verhalten von polymerfunktionalisierten Nanopartikeln. Um zu verstehen, warum diese Änderungen beobachtet werden, ist jedoch ein gründliches Verständnis der Dynamik endgebundener Polymerketten erforderlich. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Substratsteifigkeit bisher überwiegend übersehen, und der Einfluss der Dynamik des Kerns bei Verwendung von weichen und verformbaren Polymer-Nanopartikeln muss besser analysiert werden. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, das Suspensionsverhalten von oberflächenfunktionalisierten weichen Polymernanopartikeln, die mit Polymerketten funktionalisiert sind, zu untersuchen und zu verstehen, sowie lokale Eigenschaften wie Kettendynamik und makroskopisches Verhalten wie die viskoelastischen Eigenschaften der kolloidalen Suspensionen zu korrelieren.
Um zu verstehen, wie strukturelle Faktoren die Eigenschaften und das Verhalten der Kolloide beeinflussen, wurde ein flexibles und vielseitiges Herstellungsverfahren entwickelt, um eine Vielzahl von Polymernanopartikeln herzustellen, die mit endgepfropften Polymerketten funktionalisiert sind. Erste Kernpolystyrol-Nanopartikel wurden durch Miniemulsionspolymerisation hergestellt. Die Weichheit des Kerns kann durch Steuern des Vernetzungsgrades des Polystyrols durch Zugabe verschiedener Mengen Divinylbenzol eingestellt werden. Diese Polystyrolanopartikel wurden dann mit einer dünnen Schicht, die ein Inimer enthielten, funktionalisiert. Durch Steuern der Zusammensetzung der Inimerschicht war es möglich, die Pfropfdichte der endpfropften Polymerketten zu steuern. Schließlich wurde eine oberflächeninitiierte radikalische Atomtransferpolymerisation verwendet, um Polymethylacrylat-Ketten aus der Inimerschicht mit einem gut kontrollierten Polymerisationsgrad zu züchten. Dies ergibt eine Bibliothek von Nanopartikeln mit einer definierten Größe, Weichheit, Pfropfdichte und einem definierten Polymerisationsgrad. Anschließend wurde der Einfluss der Architektur des Poly(methylacrylat)-Dachs auf das viskoelastische Verhalten von Nanopartikelsuspensionen unter Verwendung verschiedener selektiver Lösungsmittel untersucht (Abschnitt 5.1). Die Ergebnisse zeigten, dass die Weichheit des Kerns die Eigenschaften der kolloidalen Gele beeinflusst, wobei ein weicherer Kern mehr verformbare Materialien ergibt, und dass die Weichheit des Kerns für die endgültigen Eigenschaften des kolloidalen Materials ebenso wichtig war wie die Architektur der Schale. Um besser zu verstehen, wie das Verhalten der Suspension durch die Eigenschaften der Nanopartikel beeinflusst wurde, wurde die lokale subsegmentale Bewegung der Polymerkette mittels NMR-Spektroskopie untersucht (Abschnitt 5.2, 5.3 und 5.4). Die Ergebnisse zeigten ein Zusammenspiel zwischen der Dynamik des weichen Kerns und der Dynamik der gepfropften Polymerkorona. Der Einfluss der verschiedenen Parameter, die die rheologischen Eigenschaften der Nanopartikelsuspension beeinflussen, auf die Dynamik der Polymersysteme wurde untersucht: der Polymerisationsgrad der gepfropften Kette (Abschnitt 5.2 und 5.4), die Pfropfdichte (Abschnitt 5.1 und 5.4), die Steifigkeit / Quellung des Kerns (Abschnitt 5.2 und 5.3) und die Lösungsmittelqualität (Abschnitt 5.3).
Diese Dissertation bietet einen umfassenden Überblick über die Parameter, welche die Dynamik der lokalen Kette in Polymer-Nanopartikeln beeinflussen. Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist das klare Zusammenspiel zwischen der Dynamik des Kerns und der Dynamik der Polymerschale.