Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2651
Main Title: Specific ion effects in foam and wetting films
Translated Title: Spezifischer Einfluss von Ionen in Schaum- und Benetzungsfilmen
Author(s): Schelero, Natascha
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Innerhalb der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Einfluss verschiedener Ionen auf Benetzungs- und Schaumfilme untersucht. Die Untersuchungen von Benetzungsfilmen der reinen Elektrolytlösungen auf Siliziumwafern zeigten, dass in Abhängigkeit der Ionengröße, sowohl Kationen wie auch Anionen an der Wasser/Luft Grenzfläche adsorbieren können. Die Adsorption von Kationen führt zu einer Absenkung der Oberflächenladungsdichte und somit zu instabileren Filmen, wohingegen die Adsorption von Anionen zur Erhöhung der Oberflächenladungsdichte und somit zu stabileren Filmen führt. Die vorliegenden Ergebnisse sind ein Beweise für: (i) eine negative Ladung der Wasser/Luft Grenzfläche, eine Thematik, die immer noch kontrovers diskutiert wird und (ii) dafür, dass Ionen spezifische Wechselwirkungen elektrostatische Wechselwirkungen dominieren, insofern als das zusätzliche negative Ladungen an eine negativ geladene Grenzfläche adsorbieren. Die Dominanz der Ionen spezifischen Wechselwirkungen wurde anhand von Untersuchungen von Schaumfilmen bestehend aus anionischen Tensid/Salz Gemischen bestätigt. Sowohl bei Benetzungsfilmen der reinen Elektrolytlösungen als auch bei Schaumfilmen stabilisiert mit anionischen Tensiden gibt es eine starke Korrelation zwischen Filmstabilität so wie –dicke und Oberflächenkräften. Als nächstes wurde der Einfluss des Vorzeichens der Oberflächenladung auf spezifische Ioneneffekte in Schaumfilmen untersucht. Interessanter Weise ist die Abfolge der Stabilitäten in Abhängigkeit der Ionengröße für Schaumfilme aus anionischen oder kationischen Tensiden gleich, ein Indiz, dass das Vorzeichen er Oberflächenladung keinen Einfluss auf die spezifischen Ioneneffekte hat. Jedoch haben ergänzende Messungen ergeben, dass die Stabilisierung der Filme unterschiedliche Ursachen hat. Während im Falle von anionischen Tensid/Salz Gemischen die Filmstabilitäten von Oberflächenkräften abhängen, so wird die Stabilität von Filmen aus kationischen Tensid/Salz Gemischen von der Elastizität des Filmes bestimmt. Durch die Variation der Gegenionen zweier Tensidarten konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung zwischen Tensidrumpf und Gegenion einen starken Einfluss auf die Stabilität von Schaumfilmen hat und somit durch die Wahl eines geeigneten Gegenions eine Verbesserung der Schaumfilmeingenschaften erzeugt werden kann. Der Übergang von anorganischen zu organischen Salzen (Alkanoaten) hat gezeigt, dass diese je nach Hydrophobizität wie organisches Salz, Cotensid oder Tenside wirken. Die Wirkung der Hydrophbozität sowie der Konzentration der Alkanoate auf Schaumfilm-eingenschaften wurde an Gemischen aus C14TAB und Alkanoaten untersucht. Die C14TAB Konzentration war konstant während die Menge der Alkanoate variierte. Die Auswirkung von Alkanoaten mit salzartigem bzw. tensidischem Verhalten auf Schaumfilme ist deutlich anders. Im Falle von organischem Salz tritt eine Abschirmung senkrecht zu den Filmgrenzflächen auf. Dies führt zu einer kontinuierlichen Abnahme der Stabilität mit Erhöhung der Konzentration des organischen Salzes. Im Gegensatz dazu führt die Bildung von Komplexen bei organischen Salzen mit tensidischem Charakter zu einer Abschirmung sowohl (i) innerhalb der Filmgrenzfläche als auch (ii) senkrecht zu den Filmgrenzflächen. Dies hat zur Folge, dass bei höheren Konzentrationen des organischen Salzes mit tensidischem Charakter eine erneute Stabilisierung der Filme erreicht werden kann. Die abschließenden Untersuchungen der Auswirkung der Ladungsdichte der Kopfgruppe auf Schaumfilme aus Mischungen von entgegengesetzt geladenen Tensiden zeigte, dass Mischungen aus Tensiden mit gleichen Kopfgruppenladungsdichten Schaumfilme effizienter stabilisieren. Generell sind Tensidgemische sehr vielversprechende Systeme hinsichtlich der Stabilisierung von Schaumfilmen, da geringe Mengen ausreichen um sehr hohe Schaumfilmstabilitäten zu erhalten. Hinsichtlich aller untersuchten dünnen Filme ist zu bemerken, dass diese Systeme sehr sensibel auf Ionen und Ionenspezifität reagieren. Somit konnten spezifische Ioneneffekte schon bei geringen Salzkonzentrationen beobachtet werden. Dies wurde bisher für unmöglich erachtet.
Within this thesis the influence of various ions on wetting and foam films has been investigated. The investigation of wetting films of pure electrolyte solutions on bare silicon showed that as a function of the ion size anions as well as cations can adsorb at the air/ water interface. The adsorption of cations results in a decrease in surface charge density and thus to less stable films. In contrast to this, the anion adsorption increases the surface charge density which is reflected in more stable films. The presented results are a proof for (i) a negatively charged air/ water interface, a topic which is still controversially discussed in science and (ii) that the ion specificity overwhelms the electrostatic repulsion in such a way that anions can adsorb at a negatively charged air/ water interface. The dominating effect of the ion specificity has been affirmed by measuring the effect of anions on the properties of foam films stabilized by anionic surfactants. In both cases, wetting films of aqueous electrolyte solutions and foam films stabilized by anionic surfactants, a strong correlation between film stability and thickness and surface forces is found. In the following the impact of the sign of the surface charges on ion specific effects in foam films has been considered. Interestingly, the order of the observed stabilities as a function of the ion size is similar for foam films stabilized by both anionic and cationic surfactants. This indicates that the sign of the interfacial charges has no influence on specific ion effects. However, further measurements showed that the mechanism of stabilization depends on the sign of the interfacial charges. In case of anionic surfactants the decisive parameter for the film stability is the surface forces, while in case of foam films stabilized by cationic surfactants, the stability can be explained by the surface elasticity. Due to variation of the counter-ion of two different types of surfactants it could be demonstrated that the interaction between the headgroup of the surfactant and the counter-ion has a strong impact on the foam film stability. Due to the choice of the counter-ion it is possible to tailor the film properties in a certain way. The step from inorganic to organic electrolytes (alkanoates) showed that organic electrolytes as a function of their hydrophobicity can act as salts, co-surfactant or surfactant. The influence of increasing chain length and amount of organic electrolytes has been investigated by measuring mixtures of C14TAB/ alkanoates with chain lengths varied between C4 and C12. The concentration of C14TAB was fixed while the amount of alkanoates has been varied. In case of alkanoates acting as inorganic salt screening perpendicular to the film interfaces is observed leading to a continuously decrease in stability with rising amount of salt. In contrast to this, the formation of complexes as in case of alkanoates behaving as an anionic surfactant results in screening (i) within a film interface and (ii) perpendicular to the film interfaces. This leads to an increase in stability at higher concentrations of such alkanoates. The finial investigation of the influence of the surface charge density of surfactant’ headgroups on the properties of foam films stabilized by mixtures of oppositely charges surfactants demonstrated that mixtures of surfactants with similar surface charge densities are more efficient in stabilizing foam films. In general mixtures of surfactants are promising systems with regard to the stabilization of foam films since even small amounts of stabilizing agents are sufficient to obtain long lasting foam films. In respect of all investigated systems it is important to realize that thin liquid films are highly sensitive to ion specific effects which enables to detected ion specificities at very low electrolyte concentration which was thought to be impossible until yet.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28627
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2948
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2651
Exam Date: 12-Nov-2010
Issue Date: 2-Dec-2010
Date Available: 2-Dec-2010
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Dünne Filme
Ionenspezifische Effekte
Spaltdruckisothermen
Tensidmischsysteme
Disjoining pressure isotherms
Mixtures of oppositely charged surfactants
Specific ion effects
Thin films
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