Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2439
Main Title: Adsorption of Surfactants on Colloidal Silica: Effects of Surface Curvature on the Structure of Surface Aggregates
Translated Title: Tensid-Adsorption an kolloidalem Silica: Einfluss der Oberflächenkrümmung auf die Struktur der Adsorptionsschicht von Tensiden
Author(s): Lugo Quijada, Dersy Marileth
Advisor(s): Findenegg, Gerhard H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Adsorption von Tensiden an Kolloid-Teilchen kann zu einer sterischen Stabilisierung der kolloidalen Dispersion führen und ist daher von großer Bedeutung für die Herstellung nanostrukturierter funktionaler Oberflächen. Stark gekrümmte Oberflächen spielen in solchen Systemen eine große Rolle und können einen maßgebenden Einfluss auf Struktur und Stabilität der adsorbierten Tensidfilme haben. Die vorliegende Doktorarbeit verfolgt das Ziel, den Einfluss der Oberfächenkrümmung auf die Morpholpgie der adsorbierten Schicht von nichtionischen Tenside an Silika-Nanoteilchen zu bestimmen. Die Struktur der Adsorptionsschicht eines Alkylethoxylats (C12E5), der Alkylmaltoside β-C10G2 und β-C12G2, und des Alkyldimethylaminoxids C12DAO, sowie von binären Mischungen von C12DAO mit β-C10G2 und β-C12G2 an Silica-Nanoteilchen wurde mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) untersucht. Die Silica-Nanoteilchen mit Teilchendurchmessern im Bereich von 16 bis 42 nm wurden nach der Stöber-Methode synthetisiert und mit Elektronenmikroskopie (TEM), dynamischer Lichtstreuung (DLS) und SANS, sowie durch Stickstoff-Adsorption charakterisiert. Die Adsorptionsisotherme von C12E5 zeigt einen stark kooperativen Verlauf mit einem Plateauwert ähnlich wie an atomar glatten Silica-Oberflächen. Die Analyse der SANS-Streukurven der Dispersionen mit C12E5 and C12DAO zeigt, dass diese Tenside an den Silika-Teilchen keine homogene Tensiddoppelschicht, sondern im Falle der kleinsten Silika-Teilchen (16 nm) kugelförmige Oberflächenmizellen bilden. Im Fall von C12DAO konnte mit zunehmender Teilchengröße ein morphologischer Übergang von kugel-förmigen zu oblat ellipsoidalen Oberflächenmizellen nachgewiesen werden, die eine ähnliche Grösse wie die Mizellen in wässrige Lösung haben. Im Gegensatz zu C12E5 und C12DAO wurde für β-C10G2 und β-C12G2 keine signifikante Adsorption an den Silica-Teilchen gefunden. Es konnte aber gezeigt werden, dass die Adsorption dieser Tenside an Silica-Teilchen durch die Anwesenheit von C12DAO begünstigt wird (synergetischer Effekt). Erhöhung der Konzentration von β-C10G2 und β-C12G2 bewirkt jedoch eine Desorption von C12DAO und die Bildung von Mischmizellen in der Lösung.
Adsorbed surfactants can play an important role as a protection layer for the steric stabilization of colloids and for the preparation of nanostructured functional surfaces. In many cases highly curved surfaces are involved, and this surface curvature may have a pronounced influence on the structure and stability of the adsorbed surfactant layer. In order to better understand these influences, the work presented in this thesis focuses on the study of self-assembled structures of three classes of nonionic surfactants and some of their binary mixtures on silica nanoparticles dispersed in water. The adsorption of an alkyl ethoxylate surfactant (C12E5), two alkyl maltosides (β-C10G2 and β-C12G2) and an alkyldimethylamine oxide surfactant (C12DAO), as well as binary mixtures of C12DAO with β-C10G2 and β-C12G2 onto purpose-synthesized silica sols of uniform particle size (mean diameter 16, 27 and 42 nm) was studied by small-angle neutron scattering (SANS). The silicas were prepared by two variants of the Stöber synthesis. Their particle size was characterized by electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), and SANS, and the specific surface area was determined by N2 adsorption. It was found that C12E5 exhibits strongly cooperative adsorption onto the silica particles with a surface concentration plateau value Γmx similar to that on flat silica surfaces. Analysis of the SANS profiles of silica sols with adsorbed C12E5 or C12DAO showed that these surfactants do not form a laterally uniform adsorbed bilayer. Instead, spherical surface micelles are formed on particles of 16 nm. For C12DAO a morphological transition from spherical to oblate ellipsoidal surface micelles was found as the diameter of the silica particles increases from 16 nm to 27 and 42 nm. The ellipsoidal surface micelles of C12DAO have similar dimensions as micelles in the bulk solution. β-C10G2 and β-C12G2 show very weak adsorption onto silica beads, but their adsorption can be promoted by C12DAO, when small amounts of β-CnG2 are present. However, desorption of the surfactants from the particles and formation of mixed micelles in solution occurs if larger amounts of the maltoside surfactant are added.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26292
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2736
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2439
Exam Date: 7-Apr-2010
Issue Date: 20-Apr-2010
Date Available: 20-Apr-2010
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Adsorption
Neutronenstreuung
Silica-Nanoteilchen
Synergetischer Effekt
Tensiden
Adsorption
Silica Nanoparticles
Small-Angle Neutron Scattering
Surface Aggregates
Surfactants
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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