Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
20 %
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Kardos, Attila Mészáros, Róbert Varga, Imre
Starting date
2012-02-01
Closing date
2016-01-31
Funding (in million HUF)
13.562
FTE (full time equivalent)
3.75
state
closed project
Summary in Hungarian
A mikro- vagy nanogél részecskék számos alkalmazási lehetőségük miatt nagy jelentőségre tettek szert. Különösen a „stimuli-responsive” hidrogélek („intelligens” anyagok) kaptak figyelmet duzzadási tulajdonságaik és permeabilitásuk extrém nagy hőmérséklet-érzékenysége miatt. A mikrogélekre irányuló számos vizsgálat ellenére viszonylag kevés ismeretünk van azok szerkezetéről, elektromos tulajdonságairól és tenzidekkel való kölcsönhatásáról. Jelen pályázat célja az poly-N-isopropylacrylamide mikrogéleken korábban végzett vizsgálataink folytatása. Elektromosan töltött mag és neutrális héj, valamint neutrális mag és töltött héj szerkezetű mag/héj típusú részecskék előállítását tervezzük. Ezekkel a rendszerekkel eldönthető lenne, hogy a mikrogélek elektroforetikus mozgékonyságát leíró egymásnak ellentmondó elméletek közül melyik a korrekt. Tenzidek jelenlétében a hidrogélek kollapszus-hőmérséklete nagymértékben megváltozik, ami a tenzideket tartalmazó készítményekben korlátozza alkalmazásukat. A polimer/tenzid kölcsönhatásra általunk kidolgozott, az irodalomban általánosan elfogadott termodinamikai elméletnek a gélekre történő alkalmazásával különböző átlagos keresztkötés-sűrűségű géleken történő mérésekkel a gél/tenzid kölcsönhatást tervezzük tanulmányozni. A mikrogélek szerkezete meghatározó szerepet játszik duzzadási tulajdonságaikban és tenzidekkel való kölcsönhatásukban. Méréseket tervezünk homogén szegmens-sűrűségű mintákon, melyeket egy új, még nem publikált módszerrel állítunk elő.
Summary
Micro- or nanogel particles have received significant attention due to their potential applications in a wide range of areas. In particular, stimuli-responsive hydrogels (“intelligent” materials) are of great interest because of their extreme temperature sensitivity, including their swelling-deswelling behavior and permeability of substances. In spite of numerous studies on microgels little is known about their inner structure, electric properties and interaction with surfactants. The aim of the project is to continue our previous research on poly-N-isopropylacrylamide microgels in two directions. We plane to synthesize core/shell microgel samples with charged core and electrically neutral shell and the reverse. These new models can help to decide which is the correct one among the contradicting theories of electrophoretic mobility of the microgels. The influence of surfactant on the collapse temperature may limit the utility of temperature-sensitive gels in products formulated with surfactants. Microgel samples in a broad range of mean cross-link density will be synthesized to show the differences and similarities between the polymer/surfactant and microgel surfactant interaction extending our thermodynamic theory of polymer/surfactant interaction for microgels. The structure of the microgel particles plays an important role both in swelling properties and in the interaction with surfactants. We plan to perform studies on microgel particles of homogeneous inner segment density distribution produced by a new unpublished preparation method.
Final report
Results in Hungarian
a/ A mag-héj szerkezetű NIPAM-akrilsav mikrogélek előállítására új, egylépéses szintézis módszert dolgoztunk ki, melynek előnye nemcsak egyszerűsége, hanem az is, hogy a héj kémiai kötésekkel kapcsolódik a maghoz, továbbá hagymaszerkezetű részecskék is előállíthatók az alkalmazás szélesebb körét nyitva meg.
b/ Különböző elektromos szerkezetű mikrogélek vizsgálatából megállapítottuk, hogy az elektroforetikus mobilitás változása a mikrogél részecskék duzzadásának függvényében a felületi töltés modellel írható le.
c/ Ellentétes töltésű polielektrolit-tenzid komplexek oldatbeli és határfelületi tulajdonságanak vizsgáltából megállapítottuk, hogy a komplex spontán behatol az adszorpciós rétegbe és ott oldalsó kölcsöhatások révén flokkulál. Ez magyarázza a mérések és ipari termékek rossz reprodukálhatóságát és lehetőséget ad a tulajdonságok megbízható szabályozására.
d/ Új módszert dolgoztunk ki polielektrolit-tenzid filmek előállítására. A polimerfilm felületének változtatásakor annak monoréteg szerkezete megőrződik és tökéletesen oldhatatlan filmként viselkedik. Ezek az eredmények paradigmaváltást jelenthetnek e filmek ipari előállításának kiaknázásában.
e/ A katinos tenzidek poli(vinilalkohol-vinilszulfát) kopolimerhez való kötődése három tartományra bontható. Kis tenzidkoncentrációknál a rendszer valódi oldat, majd kompakt kolloid részecskék keletkeznek, melyek koagulálnak, végül további tenzidadalékkal ismét valódi oldat képződik.
Results in English
a/ A new one pot preparation method was developed for the synthesis of the charged core/shell microgel structures. Beyond the simplicity of the new method the shell is chemically attached to the core and onion-like structures with multiple shells can be also prepared.
b/ Investigating microgel particles with different internal electric structures we found that contrary to the free draining model, the surface charge model could predict the expected constant electrokinetic charge from the swollen to the collapsed state.
c/ Different nonequilibrium mechanisms of oppositely charged polyelectrolyte/surfactant system were investigated. The aggregates become trapped at the interface and lateral flocculation occurs. Our findings helps to interpret the seemingly mysterious irreproducible effects in wide-ranging applications.
d/ A new method was described to prepare polyelectrolyte-surfactant membranes by spreading from neutral aggregates. The macromolecules adsorb in a monolayer even though they are not surface-active alone and behave as perfectly insoluble film. Our findings signal a paradigm shift for a range of deposition-based technologies.
e/ The interaction of cationic surfactants with sodium poly(vinyl alcohol-co-vinyl sulfate) copolymer was investigated. The binding of the cationic surfactant occurs in three steps. First the system is a stable solution, than coagulating compact colloid particles form, finally, the particles re-swell again.
R. A. Campbell, M. Y. Arteta, A. Angus-Smyth, T.Nylander, B. A. Noskov, I. Varga: Direct Impact of Nonequilibrium Aggregates on the Structure and Morphology of Pdadmac/SDS Layers at the Air/Water Interface, Langmuir 2014, 30, 8664−8674, 2014
T. Gilányi, A. Borsos, I. Varga: Effect of internal charge distribution on the electrophoretic mobility of poly(N-isopropyl acrylamide) based core-shell microgel particles, Langmuir, submitted, 2016
K. Bodnár, E. Fegyver, M. Nagy, R. Mészáros: Impact of Polyelectrolyte Chemistry on the Thermodynamic Stability of Oppositely Charged Macromolecule/Surfactant Mixtures, Langmuir, 32, 1259−1268, 2016
R. A. Campbell, A. Tummino, B. A. Noskov, I. Varga: Ultra-Efficient Polyelectrolyte/Surfactant Membranes Spread from Neutral Aggregates, J. Phys. Chem. Lett., submitted, 2016
D. Kaczmarek, A. Kardos, T. Gilányi and I. Varga: Single pot preparation of sterically stabilized pNIPAM microgel particles., J. Am. Chem. Soc., submitted, 2014
A. Kardos, T. Gilányi and I. Varga: Controlling the size of homogeneously crosslinked pNIPAM microgels., Langmuir, submitted, 2014
R. A. Campbell, M.Y. Arteta, A. Angus-Smyth, T. Nylander, B. A. Noskov, I. Varga: Direct Impact of Non-Equilibrium Aggregates on the Structure & Morphology of Pdadmac/SDS Layers at the Air/Water Interface, ACS Applied Materials & Interfaces, submitted, 2014
D. Kaczmarek, A. Kardos, T. Gilányi and I. Varga: Single pot preparation of sterically stabilized pNIPAM microgel particles., J. Am. Chem. Soc., submitted, 2015
R. A. Campbell, M.Y. Arteta, A. Angus-Smyth, T. Nylander, B. A. Noskov, I. Varga: Direct Impact of Non-Equilibrium Aggregates on the Structure & Morphology of Pdadmac/SDS Layers at the Air/Water Interface, Langmuir, 30, pp. 8664-8674, 2014
