Suppression of segmental chain dynamics on a particle's surface in well-dispersed polymer nanocomposites

高分散ポリマーナノコンポジットにおける粒子表面でのセグメント鎖ダイナミクスの抑制

Kim, J.*; Thompson, B. R.*; 富永 大輝*; 大澤 崇人  ; 江上 毅*; Frster, S.*; Ohl, M.*; Senses, E.*; Faraone, A.*; Wagner, N. J.*

Kim, J.*; Thompson, B. R.*; Tominaga, Taiki*; Osawa, Takahito; Egami, Takeshi*; Frster, S.*; Ohl, M.*; Senses, E.*; Faraone, A.*; Wagner, N. J.*

準弾性中性子散乱(QENS)を用いて、モデルナノ複合材料であるポリエチレンオキシド(PEO)/シリカナノ粒子(NPs)中のポリマー鎖のラウスダイナミクスを調べた。ポリマー鎖の見かけのラウス速度は粒子負荷が増加するにつれて減少した。しかし、数十psの時間スケールでは、不動なセグメント集団の証拠はない。ダイナミクスの鈍化は、NP相間領域における鎖の修正ラウスモデルの観点から解釈される。こうして、バルクのような鎖集団とラウスモードの抑制を特徴とする鎖集団の2つが同定された。相間領域の空間的な広がりは、吸着層の厚さの約2倍、約2nmと見積もられた。これらの結果は、NPs表面における連鎖ダイナミクスの抑制を詳細に説明するものである。これらの結果は、表面効果と閉じ込めに関する関連した洞察であり、十分に分散したNPを有するポリマーナノコンポジット(PNC)のレオロジー特性を理解するための基礎を提供するものである。

The Rouse dynamics of polymer chains in model nanocomposite PolyEthylene Oxide (PEO)/Silica NanoParticles (NPs) was investigated using QuasiElastic Neutron Scattering (QENS). The apparent Rouse rate of the polymer chains decreases as the particle loading increases. However, there is no evidence of an immobile segment population on the probed time scale of tens of ps. The slowing down of the dynamics is interpreted in terms of modified Rouse models for the chains in the NP inter-phase region. Thus, two chain populations, one bulk like and the other characterized by a suppression of Rouse modes, are identified. The spatial extent of the interphase region is estimated to be about twice the adsorbed layer thickness, or about 2 nm. These findings provide a detailed description of the suppression of the chain dynamics on the surface of NPs. These results are relevant insights on surface effects and confinement and provide a foundation for the understanding of the rheological properties of Polymer NanoComposites (PNCs) with well-dispersed NPs.