Physikalisch-chemische Untersuchungen zur Bildung und den Eigenschaften koagulierter Tensidfilme
Creators: name: Egger, Simon Christoph
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2019
Subjects: subject: Kolloidchemie
subject: Grenzflächenchemie
subject: Rheologie
subject: Ultradünne Filme
subject: Tensiometrie
subject: Mikrokapseln
subject: Brewster-Winkel-Mikroskopie
subject: 540
subject: Kolloidchemie
subject: Rheologie

description: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden koagulierte Tensidfilme mit Hilfe verschiedener physikalisch-chemischer Methoden erforscht, um Informationen über ihre Bildung, ihren strukturellen Aufbau und ihre Eigenschaften zu gewinnen. Diese Systeme sind grundsätzlich von Interesse, um Informationen über Tensid-Salz-Wechselwirkungen zu gewinnen. Darüber hinaus stehen sie im Kontext biologischer Selbstorganisation an Grenzflächen, wie z.B. in Zellmembranen oder bei der Biomineralisation. Als ultradünne Hüllen von Mikrokapseln könnten koagulierte Tensidfilme in zahlreichen Gebieten Anwendung finden. Für das vorrangig betrachtete System aus Cetyltrimethylammoniumbromid und Cer+IVsulfat werden sowohl an der Wasser/Luft-Oberfläche, als auch an der flüssig/flüssig-Grenzfläche permanent verknüpfte, viskoelastische Grenzflächenschichten beobachtet. Scherrheologische Messungen bei verschiedenen Tensid- und Salzkonzentrationen zeigen, dass insbesondere das Verhältnis zwischen den beiden netzwerkbildenden Komponenten entscheidend für die Bildung und die Eigenschaften koagulierter Tensidfilme ist. Aus temperaturabhängigen Messungen konnte rückgeschlossen werden, dass es sich möglicherweise um temporäre Netzwerke handelt, deren charakteristische Lebensdauer der Verknüpfungspunkte jedoch außerhalb der betrachteten Messbereiche liegt. Experimente an einem LANGMUIR-Trog, unter Verwendung eines BREWSTER-Winkel-Mikroskops, und die Methode der Röntgenreflektometrie zeigen, dass die Bildung koagulierter Tensidfilme auf der Adsorption der amphiphilen Moleküle an der Grenzfläche und einer Anlagerung des quervernetzenden Salzes an den Kopfgruppen dieser Tenside basiert. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass die Grenzflächenschicht periodisch, aus Tensid-Doppelschichten und, möglicherweise kristallinen, Bereichen des Salzes, aufgebaut ist. Über die Methoden der pendant capsule elastometry und der Analyse einer rotierenden Kapsel nach BARTHÉS-BIESEL können die koagulierten Tensidfilme an der gekrümmten Grenzfläche untersucht werden. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen die grundsätzliche Eignung koagulierter Tensidfilme als Hüllmaterial für Mikrokapseln. Experimente unter Verwendung verschiedener Salze zeigen, dass die Bildung koagulierter Tensidfilme vorrangig von der verwendeten Salzkonzentration, und die Eigenschaften der Grenzflächenschichten vorrangig von den Eigenschaften des verwendeten Salzes, abhängig sind. Sowohl unter Verwendung der Sulfat-Salze verschiedener Metalle unterschiedlicher Wertigkeit, als auch unter Verwendung verschiedener Anionen, werden koagulierte Tensidfilme erhalten, sofern Kationen und Anionen quervernetzende Wechselwirkungen ausbilden können. Darüber hinaus können koagulierte Tensidfilme mit ausgeprägten viskoelastischen Eigenschaften nicht nur unter Verwendung des wasserlöslichen kationischen Cetyltrimethylammoniumbromids, sondern auch unter Verwendung des aromatischen Cetylpyridiniumbromids, des wasserunlöslichen Dicetyldimethylammoniumbromids und des anionischen Natriumcetylsulfats erhalten werden. Insgesamt stehen somit verschiedene Parameter zur zielgenauen Einstellung der Eigenschaften der koagulierten Tensidfilme zur Verfügung.
description: Within the present work coagulated surfactant films are investigated. In order to obtain information about their formation, structure and properties, various physico-chemical methods are used. Those systems are of fundamental interest for obtaining information on surfactant-salt interactions. Furthermore, they are related to biological self-organisation processes at interfaces, e.g. in cell membranes or during biomineralisation. Coagulated surfactant films could be used as ultra-thin shells of microcapsules in numerous applications. For the primarily investigated system of cetyltrimethylammonium bromide and cerium+IV sulfate, permanently cross-linked viscoelastic interfacial layers are observed both at the water/air surface and at the liquid/liquid interface. Shear rheological measurements at varying surfactant and salt concentrations show that particularly the ratio between the networking components is decisive for the formation and properties of coagulated surfactant films. From temperature-dependent measurements it can be concluded that the coagulated surfactant films may be temporarily cross-linked networks whose characteristic lifetime of the junction points, however, fall outside of the examined measuring range. Experiments on a LANGMUIR trough using a BREWSTER angle microscope and X-ray reflectometry measurements show that the formation of coagulated surfactant films is based on the adsorption of amphiphilic molecules at the interface and the deposition of the cross-linking salt at the head groups of these surfactants. In addition, the interfacial layer is periodically composed of surfactant bilayers and, possibly crystalline, segments of the salt. Using the method of pendant capsule elastometry and the analysis of a rotating capsule according to BARTHÈS-BIESEL, coagulated surfactant films at the curved interface can be investigated. The obtained results confirm the general suitability of coagulated surfactant films as a coating material for microcapsules. Experiments using a variety of salts show that the formation of coagulated surfactant films depends primarily on the salt concentration used and the properties of the interface layers depend primarily on the properties of the salt used. Coagulated surfactant films are obtained both by using sulphate salts of various metals of different valency and by using various anions, provided that cations and anions are capable of forming cross-linking interactions. In addition, coagulated surfactant films with pronounced viscoelastic properties may be obtained not only by using the water-soluble cationic cetyltrimethylammonium bromide but also by using the aromatic cetylpyridinium bromide, the water-insoluble dicetyldimethylammonium bromide and the anionic sodium cetylsulphate. As a result, various parameters are available to precisely adjust the properties of the coagulated surfactant films.