Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5556
Main Title: Effect of polyelectrolyte backbone rigidity on bulk, surface and foam film properties
Translated Title: Der Effekt der Steifigkeit der Polyelektrolythauptkette auf Volumen-, Adsorptions- und Schaumfilmeigenschaften
Author(s): Uhlig, Martin
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Referee(s): Klitzing, Regine von
Monteux, Cécile
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The polyelectrolyte backbone rigidity, quantified as the persistence length, is an important parameter governing the conformation of polyelectrolytes. The most thoroughly investigated synthetic polyelectrolytes as poly(styrene sulfonate) (PSS) are rather flexible. In contrast natural polyelectrolytes, as deoxyribonucleic acid (DNA) or xanthan, are rather rigid. Former comparisons of flexible and rigid polyelectrolytes were hampered by the fact that the available polyelectrolytes were very different, i.e. they did not only vary in backbone rigidity but also in chemical structure etc. By comparing the relatively novel rigid polyelectrolyte sulfonated poly(phenylene sulfone) (sPSO2-220) and the chemically similar flexible polyelectrolyte PSS it is possible to narrow the varied polyelectrolytes parameters to the persistence length and the dissociation degree. The aim of this thesis is a better understanding of the influence of polyelectrolyte backbone rigidity on bulk, surface and foam film properties. The results might be generalized for rigid polyelectrolytes of importance in life science (e.g. DNA) or food technology (e.g. xanthan). At first, mixtures of the rigid polyelectrolyte sPSO2-220 and the oppositely charged surfactant tetradecyl trimethylammonium bromide (C14TAB) were investigated with respect to their surface adsorption and foam film stability. sPSO2-220/C14TAB mixtures showed a much higher surface activity and foam film stability than PSS/C14TAB mixtures. Secondly, the surface composition and structure of the sPSO2-220/C14TAB mixtures were investigated and the results were correlated to the foam film stability. An extended framework to explain the foam film (de)stability was developed, which in addition to the repulsive interactions of surface charges, takes the structure of adsorbed polyelectrolyte/surfactant layer(s) into account. Thirdly, the surface composition and foam film stability of PSS in mixtures with C14TAB was investigated. In contrast to sPSO2-220/C14TAB mixtures, PSS/C14TAB mixtures did not show increasing foam film stability with increasing polyelectrolyte concentration, which can be explained by preferred bulk complexation of this mixture. In the second to last chapter, the focus turns from surface into bulk investigations. The influence of polyelectrolyte backbone rigidity on the structuring in aqueous solution with and without geometrical confinement was determined. In bulk and confinement the characteristic lengths were shorter for rigid sPSO2-220 than for flexible PSS. In the last part rigid rod-like nanoparticles were investigated instead of rigid polyelectrolytes. Different types of cellulose nanocrystals (CNC) were examined with respect to their size parameters and ordering. A lateral organization of the CNC into stable 2D aggregates and reversible liquid crystal like ordering was discovered.
Die Steifigkeit der Polyelektrolythauptkette (Persistenzlänge) ist ein wichtiger Parameter der für die Konformation des Polyelektrolyten entscheidend ist. Die am ausführlichsten untersuchten syntehtischen Polyelektrolyte wie Polystyrolsulfonat (PSS) sind eher flexibel. Natürliche Polyelektrolyte wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Xanthan sind im Gegensatz dazu eher kettensteif. Frühere Vergleiche von flexiblen und steifen Polyelektrolyten wurden dadurch erschwert, dass die verfügbaren Polyelektrolyte sehr unterschiedlich waren, da sie sich nicht nur in der Steifigkeit sondern auch in chemischer Struktur usw. unterschieden. In dem man das neuartige steife Polyelektrolyt sulfoniertes Polyphenylsulfone (sPSO2-220) mit dem chemisch sehr ähnlichen flexiblen Polyelektrolyt PSS vergleicht, ist es möglich die variierten Parameter auf Persistenzlänge und Dissoziationsgrad zu reduzieren. Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis der Auswirkung der Steifigkeit der Polyelektrolythauptkette auf Polyelektrolyteigenschaften in der Volumenphase, an der Grenzfläche und in Schaumfilmen. Zuerst wurden Mischungen des kettensteifen sPSO2-220 mit dem entgegengesetzt geladenen Tensid Tetradecyltrimethylammoniumbromid (C14TAB) in Hinblick auf die Adsorption an der Wasser/Luft Grenzfläche und Schaumfilmfestigkeit untersucht. sPSO2-220/C14TAB Mischungen zeigten dabei eine hohe Oberflächenaktivität und Schaumfilmfestigkeit. Im folgenden Kapitel wurde die Oberflächenzusammensetzung und Struktur von sPSO2-220/C14TAB Mischungen untersucht. Die Ergebnisse wurden mit der Schaumfilmfestigkeit korreliert. Ein erweitertes Modell zur Erklärung der Schaumfilmfestigkeit wurde entwickelt, welches auch die Struktur der Polyelektrolyt/Tensid Schichten in Betracht zieht. Im dritten Kapitel wurde die Oberflächenzusammensetzung und Schaumfilmfestigkeit von PSS/C14TAB Mischungen untersucht. Im Gegensatz zu sPSO2-220/C14TAB Mischungen zeigten PSS/C14TAB Mischungen keine höhere Schaumfestigkeit mit höherer Polyelektrolytkonzentration. Dies konnte mit der bevorzugten Aggregation in der Volumenphase erklärt werden. Im vierten Kapitel wurde der Einfluss der Steifigkeit der Polyelektrolythauptkette auf die Strukturierung in wässriger Lösung ohne und mit räumlicher Beschränkung untersucht. Sowohl mit als auch ohne räumliche Beschränkung waren die charakteristischen Abstände kürzer für das kettensteife sPSO2-220 als für das flexiblere PSS. Im letzten Kapitel wurden nicht mehr steife Polyelektrolyte sondern steife Nanopartikel untersucht. Verschiedene Typen von Zellulosenanokristallen wurden in Hinblick auf Größe und Ordnungsverhalten untersucht. Eine laterale Ordnung in stabile 2D Aggregate und reversible Ordnung ähnlich der von Flüssigkristallen wurde gefunden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5969
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5556
Exam Date: 21-Oct-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 1-Nov-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
Subject(s): surfactants
polyelectrolytes
cellulose nanocrystals
adsorption
foam film
Tenside
Polyelektrolyte
nanokristalline Cellulose
Adsorption
Schaumfilm
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Chemie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
uhlig_martin.pdf26.73 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.