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Struktur und Dynamik von nicht-ionischen Mikroemulsionen in der Tröpfchenphase

Weber, Andreas :
Struktur und Dynamik von nicht-ionischen Mikroemulsionen in der Tröpfchenphase.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Struktur und Dynamik von nicht-ionischen Mikroemulsionen in der Tröpfchenphase
Language: German
Abstract:

Mikroemulsionen sind ternäre Mischungen, die aus einer polaren und einer unpolaren Flüssigkeit bestehen und von einem Tensid stabilisert werden. Makroskopisch sind sie transparent und isotrop. Mikroskopisch bilden Mikroemulsionen Strukturen auf der Skala weniger Nanometer aus, in denen polare und unpolare Phasen durch eine Tensidschicht getrennt sind. Eine mögliche Mikrostruktur sind inverse Mizellen: Hier sind Wassertröpfchen umhüllt von einer Tensidschale in einer Öl-Matrix gelöst. Diese Systeme können als Modellsysteme für die Erforschung des Verhaltens von Polymermolekülen an gekrümmten Grenzflächen in einer weichen, räumlichen Einschränkung dienen.

Zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen einem Polymeren und der Tensidschicht in einer Tröpfchen-Mikroemulsion ist es notwendig, das Phasenverhalten der polymerfreien Mikroemulsion zu kennen. Daher werden zunächst Struktur und Phasenverhalten von auf dem nicht-ionischem Tensid C12E4 basierenden inversen Wassermizellen in Octan mithilfe von Kleinwinkelröntgenstreuung untersucht, um das Phasenverhalten der Tröpfchenphase der Mikroemulsion zu erforschen. Ein aus anderen Systemen bekannter linearer Zusammenhang zwischen Tröpfchenradius und molarem Wasser-zu-Tensid-Verhältnis wird gefunden. Er ist unabhängig von der Tröpfchendichte, sofern die Löslichkeit unimer gelöster Tensidmoleküle in der Öl-Matrix berücksichtigt wird. Die Emulgierungs-Versagens-Grenze zwischen einem einphasigen System und einem zweiphasigen System bestehend aus einer Tröpfchenphase und einer Wasser-Überschussphase beschreibt die obere Temperaturgrenze für die Präperation einer einphasigen Mikroemulsion. Auf der Phasengrenze verhalten sich die Tröpfchenradien gemäß rC ~ 1/(TC-T).

Stabile Tröpfchen werden mit dem hydrophilen Polymeren Polyethylenglycol (MW = 1500 g/mol) beladen und mit aus dem anionischen Tensid AOT bestehenden Mikroemulsionen verglichen. Dazu werden Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten an Proben mit deuteriertem Wasser und Octan und protoniertem Tensid durchgeführt. Dieser Schalenkontrast erlaubt das Verhalten der Tensidschicht unter Polymerzugabe zu untersuchen. Das in die Tröpfchen eingebrachte PEG wechselwirkt unterschiedlich mit nicht-ionischem und anionischem Tensid: Im ersten Fall wird die Tensidschicht nicht beeinflusst, während im zweiten Fall die Streudaten zeigen, dass die anionische Tensidschicht deutlich beeinflusst wird. Dies führt zu einer höheren Polydispersität, die durch die Adsorption des Polymeren an die Tensidschicht verursacht wird.

Die Schalendynamik von C12E4/Wasser/Octan-Mikroemulsionen wird mit Neutronen-Spin-Echo-Spektroskopie untersucht. Die Tröpfchen werden mit deuteriertem PEG beladen, so dass das Experiment nur auf die Tröpfchendiffusion und die Schalenfluktuationen des Tensides sensitiv ist. Die Polymerbeladung führt zu einer Verlangsamung der l=2-Mode der Schale. Dies wird der Erhöhung der Viskosität des Mediums im Tröpfchen durch die Erhöhung der Polymerkonzentration zugeschrieben. Wird dieser Effekt berücksichtigt, so ändert sich die Biegesteifigkeit der Tensidschicht unter Polymerbeladung nicht. Dies führt zu dem Schluss dass die Zugabe von PEG zu einer C12E4/Wasser/Octan-Mikroemulsion keinen direkten Einfluss auf die Tensidschicht hat. Das Polymer ist als isolierte Kette innerhalb des Tröpfchens lokalisiert und wechselwirkt nur sterisch mit der Tensidschale.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Microemulsions are ternary mixtures composed of a polar and a nonpolar liquid stabilized by a surfactant. Macroscopically they are transparent and isotropic. Microscopically, microemulsions form structures on the scale of a few nanometers where polar and nonpolar phases are separated by a surfactant layer. They may form spherical structures where a water core surrounded by a soft surfactant shell is dissolved in an oil matrix. These structures can serve as a system for the investigation of the behaviour of polymer molecules at curved interfaces and in the presence of a soft confinement. In order to investigatate the interaction between a polymer and the surfactant shell in a droplet microemulsion, detailed knowledge of the microemulsion's phase behaviour is crucial. For that, first the structure and phase behavior of non-ionic C12E4 based reverse water in octane microemulsions are investigated with small angle x-ray scattering to explore the phase diagram of the droplet structure. A well known linear relationship between droplet radius and molar ratio of water to surfactant is found. It is independent of droplet density if the unimeric solubility of surfactant in the oil matrix is considered. The emulsification failure boundary between a one phase system and a two phase system consisting of a droplet and an excess phase gives an upper temperature limit for preparation of a one phase microemulison. It is well described with a phase line on which the droplet radii behave like rC ~ 1/(TC-T). In the regime of stable droplets, droplets are loaded with the hydrophilic polymer polyethyleneoxide (MW = 1500 g/mol) and compared with microemulsions based on the anionic surfactant AOT. In small angle neutron scattering experiments, shell contrast is used: While water and octane were deuterated, the surfactant was protonated. This allows to focus on the surfactant shell and its variation with addition of polymer. The polymer interacts differently with a nonionic or an anionic surfactant shell: In the former case the addition of polymer does not seem to affect the surfactant shell. In the latter case, the obtained scattering data show that the anionic surfactant layer is strongly influenced. This leads to a higher polydispersity which may be attributed to a floppier surfactant shell due to the adsorption of the polymer to the surfactant shell. Finally, the shell dynamics of C12E4/water/octane microemulsion is investigated by means of neutron spin echo spectroscopy. Microemulsion droplets were loaded with deuterated PEG so that the experiment is only sensitive to diffusion of the droplets and shell fluctuations of the surfactant. Polymer loading leads to a slowing-down of the l=2 mode of the shell. This is attributed to the increase of viscosity inside the water core of the droplet due to the addition of the polymer. Taking this effect into account, the bending modulus of the surfactant shell is the same in the case of polymer loaded and polymer free microemulsions. This results in the conclusion that addition of PEG to a C12E4/water/octane microemulsion does not have direct effects on the surfactant shell. The polymer molecule is located as isolated chain inside the water core and interacts sterically with the surfactant shell.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Experimental Condensed Matter Physics
Date Deposited: 10 Mar 2017 08:44
Last Modified: 10 Mar 2017 08:44
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60247
Referees: Stühn, Prof. Dr. Bernd and Alig, Dr. Ingo
Refereed: 13 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6024
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