Modeling of Intermediate Structures and Chain Conformation in Silica-Latex Nanocomposites Observed by SANS During Annealing

The evolution of the polymer structure during nanocomposite formation and annealing of silica-latex nanocomposites is studied using contrast-variation small angle neutron scattering. The experimental system is made of silica nanoparticles (Rsi \approx 8 nm) and a mixture of purpose-synthesized hydrogenated and deuterated nanolatex (Rlatex \approx 12.5 nm). The progressive disappearance of the latex beads by chain interdiffusion and release in the nanocomposites is analyzed quantitatively with a model for the scattered intensity of hairy latex beads and an RPA description of the free chains. In silica-free matrices and nanocomposites of low silica content (7%v), the annealing procedure over weeks at up to Tg + 85 K results in a molecular dispersion of chains, the radius of gyration of which is reported. At higher silica content (20%v), chain interdiffusion seems to be slowed down on time-scales of weeks, reaching a molecular dispersion only at the strongest annealing. Chain radii of gyration are found to be unaffected by the presence of the silica filler

Silica-latex model nanocomposites : rheological properties compared to chain- and filler-structure as seen by sans

Pour comprendre les mécanismes microscopiques du renforcement dans les nanocomposites, nous avons mis en œuvre un système nanocomposite modèle composé de nanoparticules de silice incorporées dans une matrice du copolymère PMMA/PBuA. La formation des échantillons se fait par évaporation du solvant -l'eau- du système colloïdal mixte latex et silice. La structure de la charge peut être contrôlée par le pH et la fraction volumique de la silice. La combinaison de diffusion de neutrons aux petits angles et microscopie électronique à transmission nous a permis d'établir un diagramme de phases du nombre d'agrégation de la silice. Les tests mécaniques en traction uni-axiale sur des nanocomposites de structure définie nous ont donné accès à la relation entre la structure des charges et la rhéologie. L'augmentation du nombre d'agrégation moyen augmente le renforcement du module de Young, et mène à une rupture précoce des films. Un optimum entre fort renforcement et grande déformation avant rupture peut être trouvé en s'intéressant à l'énergie de rupture. Lorsque l'on s'intéresse à la structure des chaînes dans les nanocomposites, il faut créer le contraste moyen nul pour la silice en introduisant des chaînes deutériées D. Nous avons pu suivre l'interdiffusion des chaînes H et D durant le recuit dans deux systèmes. Pour suivre la dissolution des billes de latex dans le polymère fondu, nous avons mis en place une modélisation des données structurales. La présence de la silice limite la mobilité des chaînes dans les nanocomposites.To improve the understanding of the reinforcement effect in nanocomposites, we have set up a model system made of a latex matrix (PMMA-PBuA copolymer) with incorporated nanosilica beads. The nanocomposite films are made by evaporating the aqueous solvent of mixture of silica/latex colloidal solutions. The structure of the network is well controlled by the pH and volume fraction of silica. We have established a phase diagram of the aggregation number of the silica by small angle neutron scattering and scanning electron microscopy. The rheological properties of silica-latex nanocomposites have been tested by uni-axial stress-strain isotherms and correlated to the silica structure. The increase of the average aggregation number reinforces the Young modulus and decreases the elongation at the breaking point. An optimum has been found by determining the energy needed until rupture. We have studied the chain structure in the nanocomposites by creatin g zero-average contrast conditions for the silica, using mixtures of D- and H-latex. The interdiffusion of the H and D chains during the annealing could be measured in two systems and intermediate structure modelled. The presence of the nanosilica particles reduces the mobility of the polymer chains

Nanocomposites modèles silice-latex : Etude des propriétés rhéologiques et de la structure des charges et des chaînes par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles.

To improve the understanding of the reinforcement effect in nanocomposites, we have set up a model system of (PMMA-PBuA copolymer) matrix made by latex film formation with incorporated nanosilica beads. The nanocomposite films are made by evaporating the aqueous solvent of a mixture of silica/latex colloidal solutions. The structure of the network is well controlled by the pH solution and volume fraction of silica. We have established a phase diagram of the aggregation number of the silica by small angle neutron scattering and transmission electron microscopy. The rheological properties of silica-latex nanocomposites have been tested by uni-axial stress strain isotherms and correlated to the silica structure. The increase of the average aggregation number reinforces the Young modulus and decreases the elongation at the breaking point. An optimum has been found by determining the energy needed until rupture. We have studied the chain structure in the nanocomposites by creating zero-average contrast conditions for the silica, using mixtures of D- and H-latex. The interdiffusion of the H and D chains during the annealing could be measured in two systems, and intermediate structures modelled quantitatively. It is found that the presence of nanosilica particles reduces the mobility of the polymer chains.Pour comprendre les mécanismes microscopiques du renforcement dans les nanocomposites, nous avons mis en œuvre un système nanocomposite modèle composé de nanoparticules de silice incorporées dans une matrice du copolymère PMMA/PBuA faite par filmification d'un latex. La formation des échantillons se fait par évaporation du solvant - l'eau – du système colloïdal mixte latex et silice. La structure de la charge peut être contrôlée par le pH en solution et la fraction volumique de la silice. La combinaison de diffusion de neutrons aux petits angles et microscopie électronique à transmission nous a permis d'établir un diagramme du nombre d'agrégation de la silice. Les tests mécaniques en traction uni-axiale sur des échantillons de structure définie nous ont donné accès à la relation entre la structure des charges et la rhéologie des nanocomposites. L'augmentation du nombre d'agrégation moyen augmente le renforcement du module de Young, et mène à une rupture précoce des films. Un optimum entre fort renforcement et grande déformation avant rupture peut être trouvé en s'intéressant à l'énergie de rupture. Lorsque l'on étudie la structure des chaînes dans les nanocomposites, il faut créer le contraste moyen nul pour la silice en introduisant des chaînes deutériées D. Nous avons pu suivre l'interdiffusion des chaînes H et D durant le recuit dans deux systèmes. Pour suivre la dissolution des billes de latex dans le polymère fondu, nous avons mis en place une modélisation quantitative des données structurales. Elle montre que la présence de la silice limite la mobilité des chaînes dans les nanocomposites

Nanocomposites modèles silice-latex (etude des propriétés rhéologiques et de la structure des charges et des chaînes par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles)

Pour comprendre les mécanismes microscopiques du renforcement dans les nanocomposites, nous avons mis en œuvre un système nanocomposite modèle composé de nanoparticules de silice incorporées dans une matrice du copolymère PMMA/PBuA. La formation des échantillons se fait par évaporation du solvant -l'eau- du système colloïdal mixte latex et silice. La structure de la charge peut être contrôlée par le pH et la fraction volumique de la silice. La combinaison de diffusion de neutrons aux petits angles et microscopie électronique à transmission nous a permis d'établir un diagramme de phases du nombre d'agrégation de la silice. Les tests mécaniques en traction uni-axiale sur des nanocomposites de structure définie nous ont donné accès à la relation entre la structure des charges et la rhéologie. L'augmentation du nombre d'agrégation moyen augmente le renforcement du module de Young, et mène à une rupture précoce des films. Un optimum entre fort renforcement et grande déformation avant rupture peut être trouvé en s'intéressant à l'énergie de rupture. Lorsque l'on s'intéresse à la structure des chaînes dans les nanocomposites, il faut créer le contraste moyen nul pour la silice en introduisant des chaînes deutériées D. Nous avons pu suivre l'interdiffusion des chaînes H et D durant le recuit dans deux systèmes. Pour suivre la dissolution des billes de latex dans le polymère fondu, nous avons mis en place une modélisation des données structurales. La présence de la silice limite la mobilité des chaînes dans les nanocomposites.To improve the understanding of the reinforcement effect in nanocomposites, we have set up a model system made of a latex matrix (PMMA-PBuA copolymer) with incorporated nanosilica beads. The nanocomposite films are made by evaporating the aqueous solvent of mixture of silica/latex colloidal solutions. The structure of the network is well controlled by the pH and volume fraction of silica. We have established a phase diagram of the aggregation number of the silica by small angle neutron scattering and scanning electron microscopy. The rheological properties of silica-latex nanocomposites have been tested by uni-axial stress-strain isotherms and correlated to the silica structure. The increase of the average aggregation number reinforces the Young modulus and decreases the elongation at the breaking point. An optimum has been found by determining the energy needed until rupture. We have studied the chain structure in the nanocomposites by creatin g zero-average contrast conditions for the silica, using mixtures of D- and H-latex. The interdiffusion of the H and D chains during the annealing could be measured in two systems and intermediate structure modelled. The presence of the nanosilica particles reduces the mobility of the polymer chains.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Observation of chain structure in nanocomposites

National audienceModel systems of nanocomposites are important for our understanding of the structural and dynamical contributions of the constituents to macroscopic properties, and in particular mechanical reinforcement. We study silica-latex nanocomposites obtained from drying an aqueous colloidal mixture of polyacrylate nanolatex and silica nanoparticles. In these systems, the filler microstructure is controlled by the precursor solution pH and it is possible to work at constant aggregation number for different filler fractions [1]. We have followed the evolution of the polymer structure during nanocomposite formation and annealing using small angle neutron scattering under zero-average contrast conditions for the silica nanoparticles. The progressive disappearance of the latex beads by chain interdiffusion and release in the nanocomposites is analyzed with a model for the scattered intensity of hairy latex beads and an RPA description of the free chains (see Figure 1). In silica-free matrices and nanocomposites of low (7%v) and high (20%v) silica content, the annealing procedure results in a molecular dispersion of chains. However, the interdiffusion of individual chain is delayed in presence of 20% of silica. The radius of gyration was not found to be affected by the silica loading in these samples with similar aggregation state (typically ten primary silica particles per aggregate, percolating at high concentration). [2] This important result opens the way for a systematic study of the chain structure in complex environments. Fig.1: Modelling of the structural evolution of the polymer chains in nanocomposites during annealing. References [1] M. Tatou et al., Macromolecules 44, 9029 (2011) [2] A.C. Genix et al., Macromolecules 45, 1663 (2012

Norovirus Capsid Proteins Self-Assemble through Biphasic Kinetics via Long-Lived Stave-like Intermediates

International audienceThe self-assembly kinetics for a norovirus capsid protein were probed by time-resolved small-angle X-ray scattering and then analyzed by singular value decomposition and global fitting. Only three species contribute to the total scattering intensities: dimers, intermediates comprising some 11 dimers, and icosahedral T = 3 capsids made up of 90 dimers. Three-dimensional reconstructions of the intermediate robustly show a stave-like shape consistent with an arrangement of two pentameric units connected by an interstitial dimer. Upon triggering of self-assembly, the biphasic kinetics consist of a fast step in which dimers are assembled into intermediates, followed by a slow step in which intermediates interlock into capsids. This simple kinetic model reproduces experimental data with an excellent agreement over 6 decades in time and with nanometer resolution. The extracted form factors are robust against changes in experimental conditions. These findings challenge and complement currently accepted models for the assembly of norovirus capsids

Norovirus Capsid Proteins Self-Assemble through Biphasic Kinetics via Long-Lived Stave-like Intermediates

The self-assembly kinetics for a norovirus capsid protein were probed by time-resolved small-angle X-ray scattering and then analyzed by singular value decomposition and global fitting. Only three species contribute to the total scattering intensities: dimers, intermediates comprising some 11 dimers, and icosahedral <i>T</i> = 3 capsids made up of 90 dimers. Three-dimensional reconstructions of the intermediate robustly show a stave-like shape consistent with an arrangement of two pentameric units connected by an interstitial dimer. Upon triggering of self-assembly, the biphasic kinetics consist of a fast step in which dimers are assembled into intermediates, followed by a slow step in which intermediates interlock into capsids. This simple kinetic model reproduces experimental data with an excellent agreement over 6 decades in time and with nanometer resolution. The extracted form factors are robust against changes in experimental conditions. These findings challenge and complement currently accepted models for the assembly of norovirus capsids