Publikation: Nanoscale Polyethylene Crystal Dispersions
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Zusammenfassung
Polyethylene (PE) and its bulk morphology have been studied intensely over the past 50 years. Micron-sized single crystals, carefully grown from very diluted organic solutions, have contributed to the fundamental understanding of polymer crystallization. However, non-aggregated and freely moving nanoscale polyethylene crystals have become accessible only very recently. The structure and properties of this novel system were explored.
Aqueous dispersions of PE nanoparticles with various microstructures and crystallinities were synthesized via catalytic polymerization of ethylene with water-soluble salicylaldiminato Ni(II)-complexes, employing a procedure previously reported by our group. These colloidally stable dispersions consist of particles of semicrystalline linear, or branched polyethylene, dependant on the catalyst employed, with a volume average size of ca. 10 nm. This unprecedentedly small size is attributed to the effective particle nucleation and further growth in individual compartments.
The single crystal nature and unique single lamellar structure of nanoparticles of linear PE of ca. 60% bulk crystallinity (PE I) was illustrated by cryo-TEM and SAXS analysis, carried out by M. Ballauff et al. In contrast, a more spherical shape is observed for nanoparticles of branched PE of much lower crystallinity (PE II), which probably consist of micelle-like crystals rather than defined lamellae. Interestingly, for ca. 80 nm size particles of PE I formed at a lower surfactant concentration, random aggregation of primary particles, rather than expanding of the single lamella in its lateral dimension, probably occurs at the early stage of particle growth, which results in a more irregular particle shape as observed by cryo-TEM and AFM. Furthermore, it was strongly indicated by the studies with different methods that the crystalline structure in such nascent nanoparticles is subject to reorganization upon thermal treatment at temperatures both below and above the melting temperature (determined by standard DSC on the dispersions). For the less crystalline particles composed of branched polymer, a structure composed of very small crystallites embedded in an amorphous matrix is in agreement with experimental data and agrees with the observed more spherical nature. Further investigations on the relationship between the lamellar thickness in the tempered particles and the corresponding recrystallization temperature may shed light on the equilibrium structure of polyethylene crystallized in confinement.
Melting/crystallization in such nanoscale entities were studied for the first time as a means of switching environmental polarity sensed by guest molecules up-taken by the nanoparticles. Studies with lipophilic guest molecules, that is the fluorescent dyes pyrene and Nile Red, show that the guest molecules were taken up by the PE nanocrystals and located in the amorphous portion. This results in a much more apolar environment experienced by the guest molecules by comparison to the hydrophobic core of SDS micelles. The polarity experienced by pyrene located in the particles is higher in more crystalline particles. This is attributed to a sensing of the aqueous phase by pyrene forced to the water-particle interface by the lamellar crystallites. Upon melting/crystallization, the polarity experienced by the pyrene probe changes significantly. The temperature at which this polarity switch occurs was controlled by the degree of branching of the polymer.
An uptake of lipophilic guest molecules by PE nanocrystals was also observed for nitroxide spin probes. In agreement with the fluorescence studies, CW-ESR of the spin probes in the PE dispersions suggests again partition of the slightly hydrophilic nitroxide radicals between the polymer phase and the aqueous phase, as concluded from the observed lineshape, which differs from the spectra taken in pure aqueous solutions or in polymer films. However quantitative analysis could not be retrieved due to the complex nature of the spectra, which are the sum of several contributions. In addition, both CW-ESR and ESEEM studies show that restructuring, probably via lamellar thickening, occurs upon crystallization from once melted PE I nanocrystals. In line with this interpretation, no significant difference was observed for less crystalline PE II nanoparticles.
Starting from the pre-formed nanocrystals, submicron semicrystalline polyethylene films can be prepared under much more benign conditions, by comparison to the traditional route starting from a diluted polymer solution in hot organic solvents. Aside the aforementioned advantages, the crystallinity of thus obtained films can be conveniently controlled by the crystallinity present in the polymer crystals. Homogenous films without defects were observed over micrometer areas. Sufficient interactions between the amorphous portions of the nanocrystals provided free-standing films. In the nascent films the primary PE nanocrystals orient preferentially with their lamellar axis perpendicular to the substrate surface, as shown by electron diffraction studies. Correspondingly, flat-on assembly of PE nanocrystals in discontinuous monolayers is observed by AFM.
Upon melting/recrystallization the continuity of the submicron films is maintained without significant dewetting. Detailed morphologies formed upon recrystallization, dependant on the film thickness, are in general similar to organic solution-cast films. However, upon annealing of the monolayer-like assembly of PE nanocrystals, lamellar thickening was observed, without changes of crystal orientation. Surfactant adsorbed to the nanocrystals in the aqueous dispersion desorbs at least partially during formation of the nascent films, and upon annealing below the melting point surfactant migrates to the film-air interface to form aggregates, which can be removed by rinsing, during which the film stays intact and structurally unaltered as revealed by AFM and water contact angles.
Surface functionalization of PE nanocrystals by copolymerization with various types of amphiphilic comonomers was demonstrated. Despite favored incorporation for ethylene by the catalysts employed, copolymer particles with moderate incorporations of the studied comonomers were obtained. Incorporation of a comonomer containing an anionic sulfate group was observed to afford better colloidal stability by comparison to nonionic PEG and saccharide groups. The crystallinity of the copolymer particles with respect to the ethylene derived portion is similar as in homopolyethylene particles.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Polyethylen (PE) und dessen Morphologie waren in den letzten 50 Jahren Gegenstand intensiver Untersuchungen. Einzelkristalle mit Größen auf Mikrometerskala, die langsam aus sehr verdünnten organischen Lösungen kristallisiert wurden, haben zum grundlegenden Verständnis der Polymerkristallisation beigetragen. Allerdings sind nicht aggregierte nanoskalige PE-Kristalle, die frei beweglich sind, erst seit kurzem zugänglich. Die Struktur und die Eigenschaften dieses neuartigen Systems wurden untersucht.
Wässrige Dispersionen von PE-Nanopartikeln mit verschiedenen Mikrostrukturen und Kristallinitäten wurden durch katalytische Polymerisation von Ethylen synthetisiert. Dafür wurde eine Methode, die kürzlich von unserer Arbeitsgruppe veröffentlicht wurde, mit Salicylaldiminato-Ni(II)-Komplexen als Katalysatoren verwendet. Diese kolloidal stabilen Dispersionen bestehen abhängig vom verwendeten Katalysator aus teilkristallinem linearem oder verzweigtem PE mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ca. 10 nm. Diese außergewöhnlich geringe Partikelgröße ist auf eine effektive Keimbildung und weiteres Wachstum ausschließlich in den einzelnen Kompartimenten zurückzuführen.
Aus cryo-TEM und SAXS Messungen, die von Ballauff et al. durchgeführt wurden, ging hervor, dass die Nanopartikel aus linearem PE mit ca. 60 % Kristallinität (PE I) monolamellare Einkristalle sind. Im Gegensatz dazu wurde eine eher sphärische Form für Nanopartikel aus verzweigten PE wesentlich niedrigerer Kristallinität (PE II), die vermutlich eine mizellare kristalline Struktur anstelle definierter Lamellen aufweisen, beobachtet. Interessanterweise kam es für ca. 80 nm große Partikel aus PE I, die bei niedrigerer Tensidkonzentration gebildet worden sind, eher zu einer zufälligen Aggregation der Primärpartikel, als zu einer lateralen Ausdehnung der einzelnen Lamellen. Diese Aggregation findet wahrscheinlich auf der ersten Stufe des Partikelwachstums statt, was zu einer unregelmäßigeren Partikelform, wie in cryo-TEM und AFM Messungen beobachtet, führt. Des Weiteren gaben Untersuchungen mit verschiedenen Methoden einen deutlichen Hinweis darauf, dass die kristalline Struktur in solchen gerade entstandenen Nanopartikeln einer Reorganisation bei erhöhter Temperatur, sowohl unter als auch über dem Schmelzpunkt (bestimmt aus Standard-DSC-Messungen der Dispersionen), unterliegt. Für die niedrigkristallinen Partikel aus verzweigtem Polymer stimmt eine Struktur aus sehr kleinen Kristalliten, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind, mit den experimentellen Daten und der beobachten sphärischen Form überein. Weitere Untersuchungen der Beziehung zwischen der Lamellendicke in den Partikeln und der zugehörigen Rekristallisationstemperatur könnten Einblick geben in die Gleichgewichtsstruktur der Kristallisation von PE auf sehr geringen Größenskalen.
Der Schmelz- beziehungsweise Kristallisationsvorgang in solchen nanoskaligen Objekten wurde zum ersten Mal als ein Vorgang untersucht, der die Polarität der Umgebung ändert, die von Gastmolekülen in PE-Nanopartikeln wahrgenommen wird. Untersuchungen mit lipophilen Gastmolekülen, in diesem Fall mit den Fluoreszenzfarbstoffen Pyren und Nilrot, zeigten, dass die Gastmoleküle von den PE-Nanokristallen aufgenommen worden sind und sich in den amorphen Bereichen befinden. Das führt zu einer viel unpolareren Umgebung für die Gastmoleküle im Vergleich zum hydrophoben Kern von SDS-Mizellen. Die Polarität, die die Pyrenmoleküle in den Partikeln erfahren, steigt mit zunehmender Kristallinität der Partikel. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Pyrenmoleküle durch die lamellaren Kristallite an die Wasser-Partikel-Grenzfläche gebracht werden und so die wässrige Phase spüren. Durch Schmelzen/Kristallisieren ändert sich die Polarität, die die Pyrenmoleküle erfahren, deutlich. Die Temperatur, bei der diese Änderung der Polarität auftritt, kann durch den Verzweigungsgrad des Polymers kontrolliert werden.
Als lipophile Gastmoleküle für PE-Nanokristalle wurden auch Nitroxid-Spinsonden verwendet. In Übereinstimmung mit den Fluoreszenzuntersuchungen weisen auch die CW-ESR-Spektren der Spinsonden in den PE-Dispersionen auf eine Verteilung der schwach hydrophilen Nitroxidradikale zwischen der Polymer- und der Wasserphase hin. Dies ging aus der beobachteten Linienform hervor, die sich von den Spektren in reinen wässrigen Lösungen und denen in Polymerfilmen unterscheidet. Eine quantitative Aussage kann jedoch aufgrund der Komplexität der Spektren, die aus mehreren Beiträgen bestehen, nicht getroffen werden. Außerdem zeigen sowohl CW-ESR als auch ESEEM-Messungen, dass es bei der Kristallisation von einmal geschmolzenen PE I Nanokristallen zu einer Reorganisation kommt, vermutlich durch Verdickung der Lamellen. In Übereinstimmung mit diese Interpretation wurde für niedrigkristalline PE II Nanopartikel kein signifikanter Unterschied nach der Rekristallisation beobachtet.
Ausgehend von vorgeformten Nanokristallen können teilkristalline Polymerfilme im Submikrometer-Bereich unter wesentlich milderen Bedingungen im Vergleich zum traditionellen Weg, der von einer verdünnten Polymerlösung in heißen organischen Lösungsmitteln ausgeht, hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kristallinität dieser Filme einfach durch die Kristallinität der Polymerkristalle kontrolliert werden kann. Hierbei wurden über Mikrometer-Bereiche homogene Filme ohne Defekte beobachtet. Eine effiziente Wechselwirkung zwischen den amorphen Teilen der einzelnen Nanokristalle ermöglicht freistehende Filme. In den entstandenen Filmen ist die Lamellenachse der PE-Primärkristalle vorzugsweise senkrecht zur Filmoberfläche orientiert, was aus der Elektronenbeugung hervorging. Diese Orientierung findet sich auch in diskontinuierlichen Monoschichten von PE-Nanokristallen, die in AFM-Messungen beobachtet wurden.
Nach Schmelzen/Rekristallisieren bleibt die Kontinuität der Filme ohne erkennbare Entnetzung erhalten. Die genauen Morphologien nach der Rekristallisation hängen von den Filmdicken ab und entsprechen im Allgemeinen Polymerfilmen aus organischen Lösungen. Beim Erwärmen der Monoschichten aus PE-Nanokristallen wurde eine Verdickung der Lamellen ohne eine Veränderung der Kristallorientierung beobachtet.
Die auf der Oberfläche der Nanokristalle adsorbierten Tensidmoleküle desorbieren teilweise während der Filmbildung aus den Partikel-Dispersionen. Beim Erwärmen der entstandenen Filme unter den Schmelzpunkt wandern die Tensidmoleküle zu den Filmoberflächen und können durch Waschen mit Wasser ohne Änderung der Kontinuität sowie der Struktur der Filme entfernt werden, was aus AFM und Kontaktwinkelmessungen hervorging.
Copolymerisationen von Ethylen mit verschiedenen amphiphilen Comonomeren wurden durchgeführt, um die Partikeloberflächen zu funktionalisieren. Trotz des bevorzugten Einbaus von Ethylen mit den verwendeten Katalysatoren wurde ein mäßiger Einbau für die untersuchten Comonomere beobachtet. Beim Einbau eines Comonomers mit anionischen Sulfatgruppen wurden Copolymer-Partikel erhalten, die bessere kolloidale Stabilität zeigten als beim Einbau von nicht-ionischen PEG- oder Saccharidgruppen. Die Kristallinität des PE-Anteils der Copolymer-Partikel verhält sich ähnlich wie bei Homopolyethylen-Partikeln.
Fachgebiet (DDC)
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ISO 690
TONG, Qiong, 2009. Nanoscale Polyethylene Crystal Dispersions [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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The structure and properties of this novel system were explored.<br />Aqueous dispersions of PE nanoparticles with various microstructures and crystallinities were synthesized via catalytic polymerization of ethylene with water-soluble salicylaldiminato Ni(II)-complexes, employing a procedure previously reported by our group. These colloidally stable dispersions consist of particles of semicrystalline linear, or branched polyethylene, dependant on the catalyst employed, with a volume average size of ca. 10 nm. This unprecedentedly small size is attributed to the effective particle nucleation and further growth in individual compartments.<br />The single crystal nature and unique single lamellar structure of nanoparticles of linear PE of ca. 60% bulk crystallinity (PE I) was illustrated by cryo-TEM and SAXS analysis, carried out by M. Ballauff et al. In contrast, a more spherical shape is observed for nanoparticles of branched PE of much lower crystallinity (PE II), which probably consist of micelle-like crystals rather than defined lamellae. Interestingly, for ca. 80 nm size particles of PE I formed at a lower surfactant concentration, random aggregation of primary particles, rather than expanding of the single lamella in its lateral dimension, probably occurs at the early stage of particle growth, which results in a more irregular particle shape as observed by cryo-TEM and AFM. Furthermore, it was strongly indicated by the studies with different methods that the crystalline structure in such nascent nanoparticles is subject to reorganization upon thermal treatment at temperatures both below and above the melting temperature (determined by standard DSC on the dispersions). For the less crystalline particles composed of branched polymer, a structure composed of very small crystallites embedded in an amorphous matrix is in agreement with experimental data and agrees with the observed more spherical nature. Further investigations on the relationship between the lamellar thickness in the tempered particles and the corresponding recrystallization temperature may shed light on the equilibrium structure of polyethylene crystallized in confinement.<br />Melting/crystallization in such nanoscale entities were studied for the first time as a means of switching environmental polarity sensed by guest molecules up-taken by the nanoparticles. Studies with lipophilic guest molecules, that is the fluorescent dyes pyrene and Nile Red, show that the guest molecules were taken up by the PE nanocrystals and located in the amorphous portion. This results in a much more apolar environment experienced by the guest molecules by comparison to the hydrophobic core of SDS micelles. The polarity experienced by pyrene located in the particles is higher in more crystalline particles. This is attributed to a sensing of the aqueous phase by pyrene forced to the water-particle interface by the lamellar crystallites. Upon melting/crystallization, the polarity experienced by the pyrene probe changes significantly. The temperature at which this polarity switch occurs was controlled by the degree of branching of the polymer.<br />An uptake of lipophilic guest molecules by PE nanocrystals was also observed for nitroxide spin probes. In agreement with the fluorescence studies, CW-ESR of the spin probes in the PE dispersions suggests again partition of the slightly hydrophilic nitroxide radicals between the polymer phase and the aqueous phase, as concluded from the observed lineshape, which differs from the spectra taken in pure aqueous solutions or in polymer films. However quantitative analysis could not be retrieved due to the complex nature of the spectra, which are the sum of several contributions. In addition, both CW-ESR and ESEEM studies show that restructuring, probably via lamellar thickening, occurs upon crystallization from once melted PE I nanocrystals. In line with this interpretation, no significant difference was observed for less crystalline PE II nanoparticles.<br />Starting from the pre-formed nanocrystals, submicron semicrystalline polyethylene films can be prepared under much more benign conditions, by comparison to the traditional route starting from a diluted polymer solution in hot organic solvents. Aside the aforementioned advantages, the crystallinity of thus obtained films can be conveniently controlled by the crystallinity present in the polymer crystals. Homogenous films without defects were observed over micrometer areas. Sufficient interactions between the amorphous portions of the nanocrystals provided free-standing films. In the nascent films the primary PE nanocrystals orient preferentially with their lamellar axis perpendicular to the substrate surface, as shown by electron diffraction studies. Correspondingly, flat-on assembly of PE nanocrystals in discontinuous monolayers is observed by AFM.<br />Upon melting/recrystallization the continuity of the submicron films is maintained without significant dewetting. Detailed morphologies formed upon recrystallization, dependant on the film thickness, are in general similar to organic solution-cast films. However, upon annealing of the monolayer-like assembly of PE nanocrystals, lamellar thickening was observed, without changes of crystal orientation. Surfactant adsorbed to the nanocrystals in the aqueous dispersion desorbs at least partially during formation of the nascent films, and upon annealing below the melting point surfactant migrates to the film-air interface to form aggregates, which can be removed by rinsing, during which the film stays intact and structurally unaltered as revealed by AFM and water contact angles.<br />Surface functionalization of PE nanocrystals by copolymerization with various types of amphiphilic comonomers was demonstrated. Despite favored incorporation for ethylene by the catalysts employed, copolymer particles with moderate incorporations of the studied comonomers were obtained. Incorporation of a comonomer containing an anionic sulfate group was observed to afford better colloidal stability by comparison to nonionic PEG and saccharide groups. 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