Hybrid Nanocomposites with Tunable Alignment of the Magnetic Nanorod Filler

For many important applications, the performance of polymer-anisotropic particle nanocomposite materials strongly depends on the orientation of the nanoparticles. Using the very peculiar magnetic properties of goethite ({\alpha}-FeOOH) nanorods, we produced goethite-poly(hydroxyethyl methacrylate) nanocomposites in which the alignment direction and the level of orientation of the nanorods could easily be tuned by simply adjusting the intensity of a magnetic field applied during polymerization. Because the particle volume fraction was kept low (1-5.5 vol \%), we used the orientational order induced by the field in the isotropic phase rather than the spontaneous orientational order of the nematic phase. At the strongest field values (up to 1.5 T), the particles exhibit almost perfect antinematic alignment, as measured by optical birefringence and small-angle X-ray scattering. The results of these two techniques are in remarkably good agreement, validating the use of birefringence measurements for quantifying the degree of orientational order. We also demonstrate that the ordering induced by the field in the isotropic suspension is preserved in the final material after field removal. This work illustrates the interest, for such problems, of considering the field-induced alignment of anisotropic nanoparticles in the isotropic phase, an approach that is effective at low filler content, that avoids the need of controlling the nematic texture, and that allows tuning of the orientation level of the particles at will simply by adjusting the field intensity

Synthèse et propriétés de matériaux hybrides élastomères à base d'oxo-clusters de titane

L'oxo-cluster de titane Ti16O16(OCH2CH3)32, composé d'un coeur oxo-métallique entouré d'une couronne de ligands organiques, a servi de nanobrique pour la synthèse de matériaux hybrides élastomères. L'échange des ligands éthoxy du cluster par des ligands fonctionnels permet d'envisager différents mode d'association du cluster avec des polymères. Grâce à l'échange des ligands éthoxy par des ligands pyrrolidone, le cluster a pu être assemblé par liaisons hydrogène avec un PDMS qui possède des fonctions thiourées terminales. La présence du cluster confère au gel formé des propriétés photochromes. Une connection de type covalent entre le cluster et le polymère est obtenue soit par la voie grafting onto soit par la voie gragting from. Dans le premier cas, les ligands éthoxy du Ti16 sont échangés par un poly(ABu) possédant une fonction -OH terminale, mais à température ambiante en raison de la réactivité des fonctions ester de l'ABu envers les ligands du Ti16. Dans le deuxième cas, six ligands du type trichloroéthoxy sont introduits à la surface du Ti16 pour le transformer en amorceurs d'ATRP. L'ATRP à température ambiante de l'ABu amorcée par le Ti16-CCl3 a été contrôlée et la caractérisation des étoiles hybrides formées prouve qu'elles possèdent six branches polymères. Ces étoiles hybrides au comportement photochrome ont ensuite été utilisées dans le cadre d'études rhéologiques et mécaniques comparatives avec des étoiles modèles et des analogues linéaires. Leur introduction dans un élastomère réticulé renforce significativement les propriétés en fracture de ce dernier et constitue une méthode de dispersion homogène de la composante inorganique dans la matrice polymèrePARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Hybrid Nanocomposites with Tunable Alignment of the Magnetic Nanorod Filler

For many important applications, the performance of polymer–anisotropic particle nanocomposite materials strongly depends on the orientation of the nanoparticles. Using the very peculiar magnetic properties of goethite (α-FeOOH) nanorods, we produced goethite–poly­(hydroxyethyl methacrylate) nanocomposites in which the alignment direction and the level of orientation of the nanorods could easily be tuned by simply adjusting the intensity of a magnetic field applied during polymerization. Because the particle volume fraction was kept low (1–5.5 vol %), we used the orientational order induced by the field in the isotropic phase rather than the spontaneous orientational order of the nematic phase. At the strongest field values (up to 1.5 T), the particles exhibit almost perfect antinematic alignment, as measured by optical birefringence and small-angle X-ray scattering. The results of these two techniques are in remarkably good agreement, validating the use of birefringence measurements for quantifying the degree of orientational order. We also demonstrate that the ordering induced by the field in the isotropic suspension is preserved in the final material after field removal. This work illustrates the interest, for such problems, of considering the field-induced alignment of anisotropic nanoparticles in the isotropic phase, an approach that is effective at low filler content, that avoids the need of controlling the nematic texture, and that allows tuning of the orientation level of the particles at will simply by adjusting the field intensity