Solution Properties of Polymer Nanostructures Studied by Scattering Techniques

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Bolisetty, Sreenath:
Solution Properties of Polymer Nanostructures Studied by Scattering Techniques.
Bayreuth , 2009
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The main aim of this thesis is to understand the solution properties of flexible cylindrical polymer brushes, dendronized polymers and the thermosensitive microgel systems. The work comprises of different polymer nanostructured systems mainly studied by using the scattering techniques at the solution state . The importance of the studying the solution properties of the polymer systems can be related to the solution related applications. In this context the solution properties of the flexible cylindrical brushes and spherical microgels are studied at dilute and semi dilute concentration regime by using scattering techniques. The structure of the cylindrical polymer brushes and understanding the conformational changes of the flexible cylinders with the concentration was especially studied by using the small angle neutron scattering (SANS) and small angle light scattering (SLS). The change in dynamics of the cylindrical polymer brushes at the dilute and semi-dilute concentration regimes was studied by using the dynamic light scattering. The thermodynamic transition and kinetics of the cylindrical thermosensitive dendronized polymers to fully reversible mesoglobule structure formation at high temperature conditions (above than lower critical solution temperature) was studied by using the dynamic light scattering. The kinetics of the mesoglobule formation is carefully examined by using the time resolved dynamic light scattering measurements. The aim of this thesis is not only the study of the cylindrical brushes but also to understand the dynamics of the spherical microgel system. The last part of the thesis is focused on the solution dynamics (translational and the rotational dynamics) of the thermosensitive core shell microgel characterized by using the polarized and depolarized dynamic light scattering. In order to understand the shape fluctuations, the coupling phenomenon of the microgel and the influence in the rotational dynamics by embedding the nanoparticles within the thermosensitive shell is studied by the light scattering technique.

Abstract in weiterer Sprache

Mit Hilfe von verschiedenen Streutechniken wurde die Struktur und die Dynamik von flexiblen zylindrischen Polymerbürsten und sphärischen Mikrogelsystemen studiert. Es wurden ungeladene zylindrische Bürsten und zylindrische dendronisierte Poylmerbürsten untersucht. Die vollständige Charakterisierung mit einer Kombination aus Neutronenkleinwinkelstreuung, statischer und dynamischer Lichtstreuung wurde für die zylindrische Polymerbürsten bestehend aus einem Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) (p-HEMA) Rückrat mit Poly(t-butylacrlyat) (p-TBA) Seitenketten im verdünnten und semi-verdünnten Bereich durchgeführt. Der Formfaktor wurde durch eine Extrapolation zu unendlicher Verdünnung ermittelt und mit theoretischen Modellen verglichen, die die Polymerbürste als flexiblen Zylinder mit einer Konturlänge von 380 nm und einer Persistenzlänge von 17,5 nm beschreiben. Die interpartikuläre Wechselwirkung der Zylinderbürsten im semi-verdünnten Konzentrationsbereich wurde durch eine Modellierung der Strukturfaktoren mit dem Polymer reference interaction site Modell (polymer reference interatction site model, PRISM) bestimmt. Das Modell zeigt, dass die zunehmende Weichheit der Polymerbürste in der Wechselwirkung mit den umgebeneden Polymerbürsten begründet ist, was sich in der verminderten Persitenzlänge von 5,3 nm bei 4 Gewichtsprozent im Vergleich zu 17,5 nm bei unendlicher Verdünnung bemerkbar macht. Dieses Ergebnis wurde ebenfalls durch die Polymerbürstendynamik in verschiedenen Konzentrationsbereichen mit Hilfe der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) verdeutlicht und in der Literatur für den gleichen Konzentrationsbereich für lineare zylindrische Polyelektrolytbürsten bestätigt. Die Lösungseigenschaften von thermosensitiven flexiblen zylindrischen ethoxy-terminierten Oligoetylenoxid (OEO) - Dendrons und deren Bildungskinetik zu mesoglobulären Aggregaten bei verschiedenen Temperaturen wurde mittels DLS und zeitaufgelöster DLS untersucht. Der Übergang zu einem kollabierten Zustand und die Bildung von mesoglobulären Aggregaten bei hohen Temperaturen wurden anhand des hydrodynamischen Radius Rh verfolgt. Die Bildungskinetik der mesoglobulären Aggregate wurde mit dem Cluster-Cluster Aggregationsmodell von Wagner et al. angenähert. Bei Erstellung der Masterkurve wurde die Aggregationszeit für die Bildung der mesoglobulären Aggregate bei verschiedenen Temperaturen erhalten. Die Masterkurver zeigt drei unterschiedliche Stadien der Bildung dieser Aggregate auf: 1. Einzelketten aggregieren zu Clustern. 2. Cluster-Cluster-Aggregation 3. Bildung von separierten stabilen Mesoglubobularen Aggregate. Die Lösungsdynamik, im sonderen die translative und rotative Dynamik der Kern-Schale-Partikel bestehend aus Polystyrol als Kern und aus einer thermosensitiven Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPA) Mikrogelschale, mit oder ohne eingebettete Palladiumnanopartikel wurde mit Hilfe der DLS und der depolarisierten DLS untersucht. Bei Latices mit in der Mikrogel-Schale eingebetteten Palladiumnanopartikel wurde eine schwache Beeinflussung der Lösungsdynamik der Mikrogel-Schale gemessen. Es wurde das Wechselspiel von Rotationsdynamik und Partikelformfluktuationen bei verschiedenen Temperaturen berechnet.