Role of Grafting Mechanism on the Polymer Coverage and Self-Assembly of Hairy Nanoparticles

嫁接 纳米颗粒 单体 分散性 纳米技术 聚合物 材料科学 化学工程 色散(光学) 混溶性 高分子化学 复合材料 物理 光学 工程类
作者
Makoto Asai,Dan Zhao,Sanat K. Kumar
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (7): 7028-7035 被引量:68
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b02657
摘要

It is now well-accepted that controlling the spatial dispersion of nanoparticles (NPs), which can be achieved by grafting them with polymers of different chain lengths and grafting densities, is central to optimizing the thermomechanical properties of the resulting polymer nanocomposites. In general, there are two methods for creating such polymer-grafted NPs: "grafting to" and "grafting from". The conventional wisdom is that the "grafting from" mechanism, where monomer-sized initiator/functional groups are attached to the surface followed by growing the chains, allows for higher polymer grafting densities and hence a more uniform polymer coverage of the NP surface. Here, we perform calculations and instead show that the "grafting to" strategy surprisingly leads to a more uniform polymer coverage of the NP surface at a given grafting density since the brush is formed while respecting the excluded volume constraints of the previously grafted chains. This conclusion is especially clear in the limit of low-to-moderate grafting density. Thus, at a given grafting density, the "grafting to" mechanism leads to an enhanced miscibility of the NPs in the matrix (which has the same chemistry as the grafts) and lower propensity to create self-assembled structures. Another important factor is that the dispersity in the number of grafted chains on the NPs is also smaller in the case of "grafting to" systems, thus leading to better defined materials. These two conclusions imply that the "grafting to" mechanism may provide better control over the NP dispersion state and hence the thermomechanical properties of polymer nanocomposites.
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