Particle-Induced Phase Separation in Aqueous Solutions containing Colloidal Particles and Adsorbing Polymers

Abstract

The influence of added colloidal particles on the phase behaviour of a polymer solution was investigated. Binary, quasi-binary and mixed polymer solutions were used in the study, where at least one of the polymers had an affinity for the surfaces of the colloidal particles. Experimentally, silica and polystyrene latex particles were used as colloidal particles. Theoretical calculations have been performed on these kinds of systems using the Flory-Huggins theory extended in two different ways to account for the effects of the particles.



Added colloidal particles decreased the stability of the polymer solution. One mechanism that lead to the decreased stability in solutions close to phase separation was capillary-induced phase separation (CIPS). The occurrence of CIPS was seen to depend on different parameters in the solutions, such as the types of polymer and particles, the length of the polymer, the particle concentration and the amount of salt. Another mechanism giving decreased stability of the solutions was adsorption of polymer molecules to the surfaces of the colloidal particles. This creates a “new” kind of particle that interacts unfavourably with the bulk in a mixed polymer solution rich in the polymer with less affinity for the surfaces of the colloidal particles. The interactions between the colloidal particles and the bulk can also be affected by surfactants adsorbing to the surfaces of the colloidal particles, which was shown in a quasi-binary polymer solution.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I detta arbete har lösningar bestående av polymerer och kolloidala partiklar studerats. En polymer är en lång molekyl som består av många sammanlänkade repeterande enheter. En repeterande enhet är i sin tur den minsta enhet som återkommer i strukturen. Polymerer finns i många olika former i vår omgivning, både naturligt och syntetiskt framställda. Exempel på polymera material är stärkelse (i potatis), cellulosa (i träd), polyeten (vanligaste förekommande plastmaterialet) och DNA (innehåller genetisk information i kroppen). Kolloidala partiklar är små partiklar med en storlek på mellan en nanometer (10-9 m) och en mikrometer (10-6 m). Dessa partiklar kan befinna sig i fast-, flytande- eller gasform. Vanligtvis förekommer partiklarna i ett medium, där även mediumet kan vara i fast-, flytande- eller gasform. Kolloidala partiklar finns exempelvis i blod, mjölk och tandkräm.



Det som har varit huvudintresset i detta arbete är stabiliteten hos vattenlösningar innehållande polymerer och kolloidala partiklar i fast form, där de kolloidala partiklarna har varit dispergerade i vatten. Stabiliteten är förstås av central betydelse för en lösnings egenskaper då man vill tillverka en blandning av polymerer och kolloidala partiklar, något som görs i olika tillämpningar som t ex läkemedelsberedningar, vattenbaserade färger och livsmedelsprodukter. Målsättningen med det här doktorandprojektet har varit att ge en ökad förståelse för varför vissa lösningar med polymerer och kolloidala partiklar blir instabila och hur man ska kunna undvika detta scenario. I de lösningar som studerats har åtminstone en av polymertyperna haft en attraktion till ytan på de kolloidala partiklarna.



Vid tillsats av polymerer till en lösning bestående av kolloidala partiklar påverkas stabiliteten av denna. Det kan antingen ske en stabilisering eller en destabilisering av lösningen. Olika modeller för detta finns sedan tidigare. Specifikt intresse har givits en typ av mekanism som heter kapillär-inducerad fasseparation. Denna mekanism har nyligen upptäckts som en mekanism som kan förekomma vid tillsats av polymerer till en lösning med kolloidala partiklar. Mekanismen i sig är den samma som en kapillärkondensation vilket förekommer t ex när vattenånga kondenseras mellan två ytor. Kapillär-inducerad fasseparation leder till destabilisering av en lösning med kolloidala partiklar. Fokusering har även skett på hur stabiliteten av en lösning innehållande kolloidala partiklar kan förändras genom att polymermolekyler sätter sig på partiklarnas ytor och förändrar egenskaperna för de kolloidala partiklarna. Förändringar av egenskaperna för de kolloidala partiklarna kan även åstadkommas genom att ett ytaktivt material, en tensid, sätter sig på ytan på ett liknande sätt som polymererna. En tensid är ett ämne som består av en vattengillande och en vattenhatande del och är vanligt förekommande i disk- och tvättmedel.



Istället för att undersöka vad som händer med en lösning bestående av kolloidala partiklar vid tillsats av polymerer, har tillsats av små mängder kolloidala partiklar skett till polymerlösningar. En polymerlösnings s k fasbeteende kan då förändras. De polymerlösningar som studerats har nämligen den inneboende egenskapen att de inte är stabila om man höjer temperaturen för mycket eller om man har för hög koncentration av polymer i lösningarna. När polymerlösningarna inte är stabila bildas två faser i lösningarna. Koncentrationen av polymer i de två faserna skiljer sig åt. Variation av längden på polymeren, användande av olika typer av polymerer och kolloidala partiklar, tillsats av salt samt olika koncentration av kolloidala partiklar är faktorer som har visat sig ha betydelse för stabiliteten på polymer-partikel lösningar. De effekter som har setts kan relateras till att mekanismen kapillär-inducerad fasseparation destabiliserar lösningarna eller att ytorna på de kolloidala partiklarna har modifierats genom att polymerer satt sig där och bidragit till försämrad stabilitet av lösningarna.



Teoretiska beräkningar har utförts för att säkerställa de trender som har setts experimentellt då det gäller stabiliteten av polymerlösningar vid tillsats av kolloidala partiklar. Dessa har haft som grund att ta reda på vilket tillstånd som är det mest energetiskt gynnsamma i de studerade lösningarna; det stabila eller det instabila. Två olika modeller har satts upp som bygger på kända teorier för hur en polymer uppför sig dels i lösning och dels vid ytor. De teoretiska beräkningarna har visat sig stödja de experimentella resultaten samt givit ytterligare detaljinformation som ej har visats experimentellt.

• author: Olsson, Martin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Poon, Wilson, University of Edinburgh, UK
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: Polymer technology, biopolymers, Polymerteknik, theoretical calculations, particle-induced phase separation, phase behaviour, surfactant, colloidal particles, adsorbing polymer
• pages: 137 pages
• defense location: Room B, Chemical Center, Lund University
• defense date: 2004-12-10 10:15:00
• ISBN: 91-7422-061-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: 1. Particle-Induced Phase Separation in Quasi-binary Polymer SolutionsMartin Olsson, Fredrik Joabsson, and Lennart PiculellLangmuir 2004, 20, 1605-1610 Article: 2. Capillary-Induced Phase Separation in Binary and Quasi-binary Polymer Solutions. A Mean-Field Lattice StudyMartin Olsson, Per Linse, and Lennart PiculellLangmuir 2004, 20, 1611-1619 Article: 3. Particle-Induced Phase Separation in Mixed Polymer SystemsMartin Olsson, Fredrik Joabsson, and Lennart PiculellLangmuir, submitted 2004 Article: 4. Influence on the Phase Behavior of a Polymer Solution by added Particles analyzed by Mean-Field Lattice TheoryMartin Olsson, Per Linse, and Lennart PiculellManuscript Article: 5. Added Surfactant can change the Phase Behavior of Aqueous Polymer-Particle MixturesMartin Olsson, Göran Boström, Leif Karlson, and Lennart PiculellLangmuir, submitted 2004
• id: a0f94db5-8afb-4d1f-9c27-c9b7141070fc (old id 467612)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:18:49
• date last changed: 2018-11-21 21:04:01