Weber, Andreas (2017)
Struktur und Dynamik von nicht-ionischen Mikroemulsionen in der Tröpfchenphase.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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