Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5472
Main Title: Stabilization of foams by in-situ hydrophobized nanoparticles
Translated Title: Stabilisierung von Schäumen durch in-situ hydrophobisierte Nanopartikel
Author(s): Carl, Frank Adrian
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Referee(s): Klitzing, Regine von
Drenckhan-Andreatta, Wiebke
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: All foams are composed of a liquid, a surface active compound and a gas. The gas is dispersed in the liquid phase creating a highly complex and hierarchical structure. The surface active compound prevents the immediate collapse of the foam. For classical foams, low molecular weight surfactants are used to stabilize the gas/liquid interface. Alternatively, solid particles can stabilize the interface. The present study deals with the stabilization of foams by solid particles. The in-situ adsorption of short chain amines onto hydrophilic silica nanoparticles is chosen in the present thesis to render the particle hydrophobic. Foams are prepared from the particle suspensions with varying amounts of alkyl amines to change the particle hydrophobicity. Additionally, the dependence of the amine chain length is studied from a carbon chain length of C5 to C8. The system is studied at different length and time scales. A comprehensive understanding of the stabilizing mechanisms of the particle stabilized foams is obtained. In the bulk suspension, amine adsorption onto the particles is proven by zeta-potential measurements. A change in the potential from approximately -35 mV towards charge neutralitiy is found with increasing amine concentration. A critical amine concentration (CAC) is found for each chain length above which particle flocculation occurs. This effect can be explained by the formation of hydrophobic patches on the particle surface. These hydrophobic domains are shown by a fluorescent probe experiment. Further characterization of the bulk liquid is performed by dynamic liqht scattering. Here, an increase in particle size is found above the CAC, indicating the existance of particle flocculates. For interfacially adsorbed particles, a contact angle of 30 to 45° is found. It increases with increasing amine concentration as well as increasing amine chain length. The contact angle is determined by x-ray reflectivity measurements and suitable data analysis, as described in the thesis. Lateral interaction of the particles at the interface is shown by surface pressure isotherms. The mechanical response of the interface allows to deduct structural features of the interface. A fractal model is suggested for the particle arrangement, which fits well to theoretical literature models. The life time of the macroscopic foam increases dramatically above the CAC as seen by image analysis. Diffusing wave spectroscopy is employed as a tool to resolve this effect microscopically. In combination with particle depletion measurements, it is shown that particles form aggregates within the foam structure above the CAC. This leads to a decelleration of the foam ageing processes. On the other hand, it is shown that the particle dimensions in the foam can be determined in good agreement with measurements in the bulk suspension.
Schäume sind komplexe, hierarchische Strukturen, zusammengesetzt aus einer flüssigen Phase, einer Gasphase und einer stabilisierenden Komponente. Die stabilisierende Komponente verhindert dabei, dass die Struktur unmittelbar nach ihrer Entstehung wieder kollabiert. Gewöhnlich werden Schäume durch niedermolekulare Tenside stabilisiert. Es ist jedoch auch möglich, Partikel zur Stabilisierung der Grenzflächen zu nutzen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dieser Stabilisierung von Schäumen durch Nanopartikel. Um die Partikel zu hydrophobisieren werden kurzkettige Alkylamine genutzt, die auf die Partikeloberfläche adsorbieren. Die Aminkonzentration und -kettenlänge wird variiert, um die Partikelhydrophobizität einzustellen. Die Alkylkettenlänge variiert dabei von C5 bis C8. Das System und die präparierten Schäume werden auf verschiedenen Längen und Zeitskalen charaktierisiert. Ein umfassendes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Schaumstabilisierung durch die teilhydrophobisierten Partikel wird durch die vorliegende Arbeit erlangt. Die Adsorption der Amine auf die Partikeloberflächen wird durch Messungen des Zeta-Potentials nachgewiesen. Das Potential der Partikeloberfläche ohne Aminadsorption von ca. -35 mV wird mit zunehmender Aminkonzentration in Richtung 0 mV verschoben. Für jede Kettenlänge existiert eine charakteristische Aminkonzentration (CAC), oberhalb derer Flokkulation stattfindet. In einem Fluoreszenzexperiment wird gezeigt, dass diese Flokkulation mit der Bildung von hydrophoben Domänen auf der Partikeloberfläche zusammenhängt. Die Flokkulation und die CAC wird zusätzlich durch dynamische Lichtstreumessungen belegt. Für die an der Grenzfläche adsorbierten Partikel werden Konktaktwinkel von ca. 30 bis 45° gefunden. Der Kontaktwinkel steigt mit zunehmender Konzentration und Kettenlänge der Amine. Röntgenreflektometrie in Verbindung mit einer geeigneten Datenanalyse erlaubt eine zuverlässige Messung des Kontaktwinkels, wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt wird. Die laterale Wechselwirkung der adsorbierten Partikel wird durch Oberflächendruckisothermen untersucht. Die mechanische Antwort der Grenzfläche erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur der Partikel. Im vorliegenden Fall wird ein durch die Literatur gestütztes Fraktalmodell genutzt. Oberhalb der CAC nimmt die Stabilität der Schäume deutlich zu, wie durch Bildanalyse gezeigt wird. Mittels Diffusing Wave Spektroskopie kann dieser Effekt auf mikroskopischem Level aufgeklärt werden. Aggregation der Partikel in der Flüssigphase bremst die Alterungsprozesse des Schaums und erhöht dessen Stabilität. Die Verarmung an Partikeln in der Volumenphase stützt diese Beobachtung. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Partikelgröße im Schaum mit zufriedenstellender Genauigkeit bestimmt werden kann.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5876
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5472
Exam Date: 18-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 6-Sep-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
Subject(s): foams
nanoparticles
dws
adsorption
xrr
Schäume
Nanopartikel
Adsorption
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