Thermal Diffusion in binary Surfactant Systems and Microemulsions

Abstract

In dieser Arbeit haben wir das Thermodiffusionsverhalten von mizellaren Systemen und Mikroemulsionen untersucht. Beide Systeme werden als Modellsysteme genutzt um zwei Fragestellungen zu beantworten. Die erste Fragestellung bezieht sich auf den Einfluss der Mizellenbildung nahe der kritischen Mizellenkonzentration (cmc) auf das Thermodiffusionsverhalten. Dazu untersuchen wir das Thermodiffusionsverhalten des nichtionischen Tensides n-Octyl beta-D-Glucopyranoside (C8G1) in Wasser, welches eine relativ hohe cmc bei 0.65 wt% besitzt, im Konzentrationsbereich zwischen w = 0.25 wt% und w = 2.0 wt% und im Temperaturbereich von T = 15 °C bis 60 °C in der klassischen und infraroten thermal diffusion forced Rayleigh scattering (TDFRS) Anlage. Zudem haben wir unabhängig von den TDFRS Messungen die kritische Mizellenkonzentration durch Oberflächenspannungsmessungen bestimmt. In der klassischen TDFRS Anlage zeigt das Tensidsystem unter Einfluss eines lichtabsorbierenden Farbstoffes eine ausgeprägte Veränderung des Thermodiffusionskoeffizienten, DT, und des Soret Koeffizienten, ST, in der Nähe der cmc. Dieses Ergebnis weist in die gleiche Richtung wie eine kürzlich veröffentlichte Arbeit von Santos et al. [Phys. Rev. E 2008, 77, 011403], in der unter Farbstoffeinfluss ebenfalls eine deutliche Änderung des Messsignals in einem thermischen Linsenexperiment bei der cmc beobachtet wurde. Wir fanden zudem heraus, dass die Änderung des Thermodiffusionskoeffizienten, sowohl ohne Farbstoff als auch wenn die Laserwellenlänge des Schreiblasers nicht durch den Farbstoff absorbiert wird, weniger stark ausgeprägt ist. Bei höheren Konzentrationen konnten wir einen temperaturabhängigen Vorzeichenwechsel des Soret Koeffizienten beobachten. Des Weiteren haben wir untersucht, ob strukturelle Änderungen, wie die Zahl der Kopfgruppen oder die Länge der Alkylketten einen Einfluss auf das Thermodiffusionsverhalten haben. Messungen an n-Heptyl beta-D-Glucopyranoside (C7G1) und an n-Octyl beta-D-Maltopyranoside (C8G2) zeigten ebenfalls eine signifikante Änderung der Thermodiffusionskoeffizienten an der cmc. Im höheren Konzentrationsbereich konnten wir nicht nur den ST-Vorzeichenwechsel bestätigten, sondern durch Skalierung der Konzentration und des Soret Koeffizienten eine Masterkurve erhalten. Die zweite Fragestellung dieser Arbeit betrifft die Bestimmung der radialen Abhängigkeit des Soret Koeffizienten für den bislang experimentell sowohl eine lineare als auch eine quadratische Größenabhängigkeit gefunden wurde. Wir haben diese Fragestellung mithilfe von Mikroemulsionen untersucht, die wir als Modellsystem für sphärische Teilchen benutzt haben. Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, nanoskopisch strukturierte, ternäre Systeme aus Wasser, Öl und Tensid. Mikroemulsionen formen in den 1f-Regionen des Phasendiagramms auf der wasser- bzw. ölreichen Seite o/w bzw. w/o Tröpfchen. Größe und Form dieser Tröpfchen lassen sich über Temperatur-, Konzentrationsvariationen oder Zusammensetzung der Komponenten einstellen ohne dass sich die Chemie der Mikroemulsionströpfchen ändert. Wir untersuchen H2O/ n-Alkan/Pentaethylene glycol monododecyl ether Mikroemulsionen nahe der unteren Entmischungsgrenze des Einphasengebietes auf der wasserreichen Seite, der sogenannten emulsification failure boundary (efb), an der die Mikroemulsionströpfchen kugelförmig sind. Wenn man die Größe der Tröpfchen ändert indem man sich entlang der efb bewegt, verändert sich gleichzeitig auch die Temperatur. Deswegen wurde die Kettenlänge des n-Alkanes variiert um Tröpfchen unterschiedlicher Größe bei gleicher Temperatur zu studieren. Die untersuchten Mikroemulsionen decken einen Tröpfchenradius von 4.72 nm (n-Tetradecan) bis 15.20 nm (n-Octan) ab. Allerdings ändert sich dabei der Volumenbruch der Tröpfchen zwischen 4.76 vol% (n-Tetradecan) und 10.50 vol% (n-Octan). Für alle untersuchten Mikroemulsionen wurden Form, Größe und Wechselwirkungseffekte der Tröpfchen mit Neutronenstreuung charakterisiert. Die Messungen auf der wasserreichen Seite ergaben eine lineare Abhängigkeit des Soret Koeffizienten vom Radius der Tröpfchen. Erste Messungen auf der ölreichen Seite bestätigen dieses Ergebnis