Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1483
Main Title: Interactions in thin aqueous films
Translated Title: Wechselwirkungen in dünnen flüssigen Filmen
Author(s): Hänni-Ciunel, Katarzyna
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der Arbeit werden die Wechselwirkungen in dünnen flüssigen Filmen untersucht und modifiziert. Schaum- (gas/flüssig/gas) und Benetzungsfilme (gas/flüssig/fest) werden mittels Thin Film Pressure Balance (TFPB) untersucht. Die Apparatur wurde im Rahmen der Arbeit für die Studien an asymmetrischen Filmen aufgebaut und modifiziert. Die Ladungen an den Filmgrenzflächen werden gezielt modifiziert. Die Adsoprtion von Tensiden bestimmt die Oberflächenladung an der gas/flüssig Grenzfläche. Die Oberflächenladung am festen Substrat wird eingestellt durch Adsorption von Polyelektrolytschichten. Die asymmetrischen Filme erscheinen dicker und stabiler im Vergleich zu freistehenden Filmen. Die Grenzflächenart, ihre Elastizität und das Oberflächenpotential spiegeln sich somit in der Filmstabilität wider. Der Überschuss von wasserunlöslichen geladenen Amphiphilen an der Wasser/Luft Grenzfläche führt zu elektrostatischer Abstoßung und einem Filmriss, sofern die Filmgrenzflächen engegengesetzt geladen sind. Gleichnamig geladene Grenzflächen ziehen sich an und der Film wird stabilisiert. Von diesem Verhalten wird darauf geschlossen, dass die Filmstabilität von elektrostatischen Wechselwirkungen gesteuert wird. Mit dieser Vorkenntnis werden pure Wasserfilme auf polyelektrolyt-beschichteten Substraten untersucht, um das Vorzeichen und den Ursprung der Ladung an der Wasser/Luft Grenzfläche zu ermitteln. Stabilisierung von Wasserfilmen auf negativ geladenen Substraten und der Filmriss auf positiv geladenem Substrat liefern einen experimentellen Beweis für die negative Ladung an der Wasser/Luft Grenzfläche. Das Ergebnis wird durch die Abschirmung von Ladungen bei steigender Elektrolytkonzentration in der Lösung bestätigt. Bei der Änderung des pH bleibt die negative Ladung an der Wasser/Luft Grenzfläche erhalten. Das Resultat wird auf die bevorzugte Adsorption der Hydroxidionen zurückgeführt, die für die negative Ladung an der Wasser/Luft Grenzfläche verantwortlich ist. Der Beitrag von hydrophoben Wechselwirkungen zur Filmstabilität wird mittels Randwinkelmessungen ausgeschlossen. Eine Methode zur Ermittlung von Randwinkeln auf hydrophilen, quellbaren Substraten unter gesättigter Atmosphäre wird ausgearbeitet. Motiviert durch die Strukturkräfte in Schaumfilmen, werden die Polyelektrolytfilme zwischen zwei festen Grenzflächen mittels Surface Force Apparatus (SFA) und als Benetzungsfilme mittels TFPB untersucht. Aufgrund fehlender Empfindlichkeit der SFA Mathode kann die Stratifizierung in den Filmen nicht erfasst werden. Benetzungsfilme mit gleicher Zusammensetzung auf der Siliziumoberfläche weisen lediglich einen Sprung beim Ausdünnen auf, unabhängig von der untersuchten Polyelektrolytkonzentration. Die Urasache für die reduzierte Stratifizierung kann das Strömungsprofil in der asymmetrischen Geometrie des flüssigen Filmes sein.
The work deals with investigation and modification of interactions in thin liquid films. Foam films (gas/liquid/gas) and wetting films (gas/liquid/solid) are studied using the porous plate technique in the Thin Film Pressure Balance. The apparatus has been built up and the technique modified for investigation of asymmetric liquid films. The charge sign on each film interface has been specifically modified. At the gas/liquid interface the adsorption of charged surfactant molecules determines the surface charge. Specific deposition of polyelectrolyte layers onto the solid substrate allows the tuning of its surface charge. The (asymmetric) wetting films on silicon are thicker and more stable then their (symmetric) foam counterparts. Thus the elasticity of the film interfaces is reflected in the film stability. The excess of water-insoluble charged amphiphiles at the free water surface provides electrostatic attraction between the oppositely charged interfaces in a wetting film, and the film ruptures. Similarly prepared specifically charged interfaces of an equal charge sign repel each other. As a result a stable film is observed. From this behavior electrostaticaly driven stability of wetting films is concluded. Experiments on pure water wetting films on polyelectrolyte pre-coated silicon targeted at the determination of the surface charge sign at the air/water interface. Stable water films on negatively charged substrates and film rupture on positively charged ones provide an evidence for the negative charge sign at the air/water interface. This result is experimentally supported by increasing screening of interfacial charges as the electrolyte content in the liquid film increases. The negative charge at the air/water interface does not change as the pH decreases. This is attributed to the preferential adsorption of the hydroxide ions at the air/water interface, which provide the negative surface charge at the free water surface. The contribution of hydrophobic interactions to the film stability is excluded by measuring the water contact angle on the respective substrates. A method for contact angle determination on hydrophilic, swellable substrates in saturated atmosphere is presented. Polyelectrolytes in the liquid phase are investigated studying the symmetric liquid films between two solid interfaces in a Surface Force Apparatus and in asymmetrical conformation on silicon in Thin Film Pressure Balance. Stratification of the polyelectrolyte, observed in the literature for foam films, cannot be detected at the given sensitivity of the Surface Force Apparatus. Wetting films thin discontinously revealing a single step at each tested polyelectrolyte concentration. The reduction of the stratification could be caused by the drift profile in the asymmetrical film geometry of the liquid film.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14329
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1780
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1483
Exam Date: 15-Jun-2006
Issue Date: 14-Dec-2006
Date Available: 14-Dec-2006
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Benetzungsphänomene
Dünne flüssige Filme
Thin liquid films
Wetting films
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