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Surface adsorption of oppositely charged surfactant and surfactant-polyelectrolyte mixtures and the relation to foam film formation and stability
Fauser, Heiko
Foams are present in various environments and their performance is important for many technical applications, ranging from detergency to enhanced ternary oil recovery.
In some processes foam formation is desired, whereas in others it should be avoided, therefore it is important to control foaming and foam stability. Thereby, an important challenge is to understand and control the influence of aggregation and surface adsorption of oppositely charged surfactant and surfactant-polyelectrolyte mixtures on foam film and foaming properties.
In the first part of the present thesis, the synergistic complexation, surface adsorption, foam film stabilisation and foaming behavior of oppositely charged surfactant mixtures of sodium dodecyl sulfate (SDS) and alkyl trimethylammonium bromides (CTAB) is investigated.
It could be shown that SDS and C12TAB interact electrostatically in order to form highly surface active catanionic surfactant complexes. These catanionic complexes form charge neutral and compact surface layers and promote the formation of sterically stabilized Newton black films.
In addition to that it could be shown that the SDS/C12TAB mixing ratio presents a tool to fine tune the resulting surface charge what determines the type, stability and thinning behavior of the corresponding foam films. Not only the formed catanionic complexes determine foam film stabilisation, but the ionic surfactant in excess does play a decisive role. Macroscopic foaming performance of SDS/C12TAB mixtures is poor at low absolute surfactant concentrations due to the slow adsorption at the air/water interface. Only at higher absolute surfactant concentrations foaming and foam stability is highly enhanced compared to pure surfactant solutions. It could be demonstrated that the presence of catanionic micelles or vesicles plays a decisive role for foam stabilization. Furthermore, varying the surfactants carbon chain length exhibits an interesting tool to vary the resulting physico-chemical properties of the respective dispersion.
The second part of this thesis investigates the surface layer composition and foam film properties of CTAB/polyacrylamidomethylpropanesulfonic acid (PAMPS) mixtures in dependance of the surfactant carbon chain length and charge degree of the polymer. A combination of neutron reflectivity and ellipsometry measurements reveal a complex change in the surface adsorption behavior. A peak in surface tension is rationalized in terms of a complex change of the surface composition and the formation of bulk phase aggregates. Furthermore, the determined interfacial composition data shows that the highest film stability occurs when there is enhanced synergistic adsorption of both components at the interface is highest. In addition to that zeta potential measurements support the assumption that an electrostatic contribution to foam film stabilisation results within the film bulk phases.
Schäume spielen eine entscheidende Rolle in vielen industriellen Anwendungen. Beispiele hierfür sind technische Reinigungsprozeße oder Extraktionsvorgänge bei der modernen tertiären Ölgewinnung. Je nach Anforderung ist eine Schaumbildung erwünscht oder soll verhindert werden, und somit ist es wichtig das Schaumverhalten exakt einzustellen. Im Zuge dessen ist es besonders wichtig den Einfluß von elektrostatisch gegensätzlich geladenen Tensid- und Tensid-Polyelektrolytmischungen auf das Schaumverhalten und die Schaumstabilität zu verstehen.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden Komplexbildungsverhalten, Oberflächenadsorption, Schaumfilmbildung und Schaumverhalten einer Tensidmischung bestehend aus den elektrostatisch entgegengesetzt geladenen Tensiden Natrium Dodecylsulfat (SDS) und verschiedenen Alkyltrimethylammonium Bromiden (CnTAB) untersucht. Es kann gezeigt werden, dass SDS und C12TAB aggregieren um besonders oberflächenaktive katanionische Tensidkomplexe zu bilden. Diese katanionischen Komplexe bilden ladungsneutrale und kompakte Oberflächenadsorptionsschichten und führen zur Bildung von sterisch stabilisierten Newton-Schaumfilmen. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Variation des SDS/C12TAB-Mischungsverhältnisses eine Möglichkeit darstellt die resultierende Oberflächenladung und somit den gebildeten Schaumfilmtyp, dessen Stabilität und das Ausdünnungsverhalten zu steuern. Der resultierende Schaumfilm wird somit nicht allein durch die gebildeten katanionischen Komplexe stabilisiert, sondern dem überschüssigen ionischen Tensid kommt eine Schlüsselrolle zuteil. In weiteren Kapiteln wird das makroskopische Schaumverhalten und der Einfluß der Tensidkettenlänge auf die physiko-chemischen Eigenschaften untersucht.
Im zweiten Teil der Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung von Oberflächenadsorptionsschichten und die daraus resultierenden Schaumfilmeigenschaften von elektrostatisch gegensätzlich geladenen Tensid-Polyelektrolyt-Mischungen untersucht. Neutronenreflektometrische Untersuchungen in Kombination mit ellipsometrischen Messungen offenbaren komplexe Änderungen im Oberflächenadsorptionsverhalten in Abhängigkeit des CnTAB/Polyacrylamidomethylpropansulfonsäure (PAMPS) Mischungsverhältnisses. Es kann gezeigt werden, dass ein abrupter Anstieg der Oberflächenspannung einhergeht mit einer Verarmung an Tensid und Polyelektrolyt an der Grenzfläche. Letztlich kann aus einem Vergleich der Oberflächenbeladung mit dem Zeta-Potential und den resultierenden Schaumfilmstabilitäten gezeigt werden, dass sowohl die Oberflächenkonzentration von Tensid und Polyelektrolyt, als auch elektrostatisch geladene Komplexe innerhalb des Schaumfilmes entscheidend für die resultierende Schaumstabilität ist.
