Phase Diagram of PEGylated Core-Shell Particles. Caprice of the flocculation boundary

Abstract

The aim of this work was to investigate the phase behaviour of sterically stabilized colloids.
Here, steric stabilization is achieved by a grafted poly(ethylene glycol) polymeric layer on the
surface of polystyrene particles. This translates under good solvent conditions to colloidal
particles exhibiting hard sphere behaviour, which was confirmed by static light scattering and
osmotic pressure measurements. An attraction is induced by worsening the quality of the
solvent by increasing the temperature and by addition of divalent salt. The resulting phase
diagram, in terms of temperature and volume fraction showed the existence of two regions:
the quench-induced, fast “flocculation”, boundary and another region or phase located at
significantly lower temperatures. Light scattering measurements were used to determine the
loci of the critical point on the binodal curve, which is otherwise not accessible due to
flocculation, at a volume fraction φ = 0.07 surprisingly much lower than what is expected for
similar attraction potentials. The maxima in isothermal compressibility, provided by
extrapolation of the structure factor to zero scattering angle, served as an indication of the
critical point.

Popular Abstract (Swedish)

Kolloidala system används idag i de flesta industriella områden och har blivit en viktig del av människans liv. Ett vanligt krav är att systemet ska vara stabilt vilket beror till huvudsak på växelverkan, eller krafterna, mellan partiklarna. Attraktiva krafter, om de är tillräckligt starka,leder till aggregation vilket innebär att partiklarna går samman och klumpar ihop sig. För att stabilisera en lösning måste man förhindra partiklar från att komma för nära varandra. Ett sätt är så kallad sterisk stabilisering där man tar hjälp av långa molekyler, polymerer, fästa på
partiklarnas yta. Dessa polymerer repellerar varandra och motverkar närkontakt mellan partiklar. Huruvida ett system är stabilt eller inte kontrolleras nu med val av lösningsmedel,med avseende på polymeren, och kan vara bra, marginella eller dåliga. Temperatur, saltkoncentration eller närvaro av lösliga polymerer är faktorer som reglerar lösningsmedlets
kvalitet och, som en direkt konsekvens, partiklarnas växelverkan och beteende i lösning. I det här arbetet har stabiliteten hos sterisk stabiliserade polystyrenpartiklar studerats som funktion av temperatur och divalent salt. Sterisk stabilitet försäkras genom att ha
polyetylenglykol (PEG) kemiskt fäst på partiklarnas yta, så kallad PEGylering. PEG är en polymer som har väldigt hög löslighet i vatten vid rumstemperatur, men vatten är inte ett alls ett bra lösningsmedel vid högre temperaturer vilket slutar i fasseparation. Det inversa temperaturberoendet hos PEG används här till att reglera stabiliteten för partiklarna och på det sättet omvandla repulsivt sterisk lager till attraktivt vilket resulterar i en reversibel
aggregation som benämns flockulering. Flockulering är ett diffust begrepp som inte passar in i termodynamiskt framräknade fasdiagram. Huruvida en sådan övergång är en jämnviktegenskap är oklart. Vi har här visat på ett mycket rikare fasdiagram för sterisk stabilisering. Nu uppvisas istället två flockuleringsregimer vid låga koncentrationer samt den
välbekanta binodala gas- vätskeseparationen vid högre koncentrationer inklusive positionen av den kritiska punkten för PEGylerade partiklar som dyker upp vid en oväntat låg koncentration.

• author: Morin, Maxim
• supervisor: Malin Zackrisson Oskolkova
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMN10 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: phase diagram, steric stabilization, attractive colloids, Physical chemistry, Collidal chemistry, short-range attractions, nanokemi, Organizing molecular matter
• language: English
• id: 8516394
• date added to LUP: 2016-01-13 14:53:35
• date last changed: 2016-01-13 14:53:35