Phase Diagram of PEGylated Core-Shell Colloids

Abstract

The aim of this work was to investigate the phase behavior of attractive model colloid particles. The attractions is imposed by having a layer of poly(ethylene glycol) (PEG) polymers grafted to the surface which provides steric stabilization in water. Raising the temperature decreases the solvency of the PEG layer, and combined with addition of a salt containing a divalent anion, causing particles to aggregate reversibly. A detailed phase study was undertaken pointing to a time-dependence of the locus of the flocculation boundary and a "true" location appearing at a significantly lower temperature as first anticipated. The lowering of the boundary is mostly pronounced at lower volume fractions. The existence of the Widom line in the phase diagram was investigated using both Small-angle X-ray Scattering (SAXS) and 3D Light scattering (3D-DLS/SLS). The Widom line is a second order phase transition and considered to be an extension of the critical point. A more complex phase diagram for water-borne thermal colloids is presented, including a preliminary Widom line, with a subsequent position of the critical point, at a surprisingly low particle concentration in terms of volume fraction. The Widom line is, to our knowledge, for the first time experimentally located.

Popular Abstract (Swedish)

Kolloida partiklar är små partiklar i nanostorlek. Dessa har många användningsområden och har ofta viktiga funktioner i till exempel bläck till skrivare och i färger. I dessa är det väldigt viktigt att kunna kontrollera stabiliteten av partiklarna. En metod för att få stabila lösningar är sterisk stabilisering vilket är till exempel den metod mjölkens partiklar är stabiliserad med. Sterisk stabilisering går ut på att partiklarna är täckta med ett lager polymerer, långa molekylkedjor. Dessa kedjor lägger sig som en borste runt partikeln vilket gör det svårt för partiklarna att komma nära varandra, precis som när man försöker pressa två täta borstar mot varandra. I vissa användningsområden vill man att lösningen är stabil, så att dem inte klumpar ihop sig, aggregerar. I andra tillfällen behöver man kanske styra stabiliteten mellan en stabil lösning och en aggregerad lösning för att till exempel koncentrera upp lösningen. För att kunna åstadkomma detta är det viktigt att känna till partiklarnas fasbeteende, i vilken form de existerar vid olika betingelser som t.ex. temperatur och koncentration.
Vår undersökning går ut på att studera små nanopartiklar, cirka 50 nm i diameter, stabiliserade med hjälp av ett lager med vattenlösliga glykolpolymerer (PEG), så kallade PEGylerade partiklar. Dessa PEG polymerer har en mycket underlig egenskap i att de är mindre lösliga i vatten vid högre temperaturer. Eftersom partiklarna är täckta med denna polymer minskar stabiliteten hos partiklarna när temperaturen höjs, och vid tillräckligt hög temperatur, aggregerar. Denna aggregering är fullt reversibel. Sänker man temperaturen löser sig partiklarna igen, vilket kan göras om och om igen. Teoretiska modeller har visat att liknande nanopartikar ska kunna fasseparera, d.v.s. övergå i en fas med hög koncentration i jämnvikt med en fas med låg koncentration. Detta betyder att det ska finnas en kritisk punkt, vilket är den punkt vid den lägsta temperatur och en viss koncentration vid vilken partiklarna börjar fasseparera. Att förstå var denna finns är viktigt för ökad förståelse för partiklarnas växelverkan och fasbetende. Denna punk är det ingen som har experimentellt visat var den finns, dessutom, med den hör Widomlinjen som inte heller har fastställts experimentellt, för något system.
De PEGylerade partiklarna karaktäriserades gällande form, lagertjocklek och storlek med ljusspridning och lågvinkelröntgenspridning. Partiklarnas fasbetende studerades noggrant och med hjälp av statisk ljusspridning har vi för första gången indikationer på var den kritiska punkten finns och den medföljande Widomlinjen.

• author: Ollila, Marcel
• supervisor: Malin Zackrisson
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMR17 20141
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Fysikalisk kemi, Physical Chemistry
• language: English
• id: 4645225
• date added to LUP: 2014-09-12 16:37:25
• date last changed: 2014-09-12 16:37:25