Microgels at oil-water interfaces

Brugger, Bastian Matthias; Richtering, Walter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-29633

Microgels at oil-water interfaces = Mikrogele an Öl/Wasser Grenzflächen

Brugger, Bastian Matthias

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bastian Matthias Brugger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVII, 178 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Richtering, Walter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-06-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29633
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51369/files/Brugger_Bastian.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Emulsion (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; PNIPAM (frei) ; Mikrogele (frei) ; Grenzflächenrheologie (frei) ; Emulsionen (frei) ; microgel (frei) ; interfacial rheology (frei) ; emulsions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Fähigkeit von Partikeln Emulsionen zu stabilisieren ist seit langer Zeit bekannt. Diese sog. Pickering Emulsionen zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus. Im Allgemeinen werden zur Stabilisierung dieser Emulsionen anorganische Partikel von einigen nm bis in den µm-Bereich eingesetzt. Die Stabilisierung von Emulsionen mit Reiz-empfindlichen Teilchen hingegen ist ein verhältnismäßig junges Gebiet. Die Idee ist sog. intelligente Teilchen zu deren Stabilisierung zu verwenden, und dadurch einen Transfer der Sensitivität auf die Emulsionsstabilität zu erhalten. In dieser Arbeit geht es um die Stabilisierung von Emulsionen mittels poly(N-Isopropylacrylamid)-co-(Methacrylsäure) (PNIPAM-co-MAA) Mikrogelen. Ein Mikrogel ist ein weiches, mit Lösungsmittel gequollenes Polymerteilchen, welches durch Vernetzung der Polymerketten am Auflösen gehindert wird. Die Löslichkeit des verwendeten PNIPAMs in Wasser ist stark temperaturabhängig. Oberhalb von 32-34 °C entmischen sich Wasser und PNIPAM, was im Falle des Mikrogels bedeutet, dass das Wasser aus dem Inneren des Teilchens verdrängt wird und das Mikrogel schrumpft. Die eingebaute Methacrylsäure sorgt zusätzlich für eine pH-Sensitivität. Bei Zugabe einer Base werden Ladungen im Mikrogel generiert, was zu einem Anstieg des Osmotischen Druckes im Mikrogel führt. Dies sorgt für ein zusätzliches Aufquellen des Mikrogels. Diese Mikrogele können zur Reiz-abhängigen Stabilisierung von Emulsionen eingesetzt werden, wobei sie bei niedrigen Temperaturen und hohem pH stabile Emulsionen erzeugen, die bei hoher Temperatur und niedrigem pH sehr gezielt zu brechen sind. Um dies Verhalten zu untersuchen, wurden eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken, wie z.B. Messungen der Grenzflächenspannung, Grenzflächenrheologie und Gefrierbruch Rasterelektronenmikroskopie, angewandt. Wie sich herausstellte lassen sich Mikrogel-stabilisiert Emulsionen nicht mit dem klassischen Pickering Emulsions-Modell beschreiben, da bei ihnen insbesondere die Visko-Elastischen Eigenschaften der Grenzflächen eine Rolle spielen.

Particle-stabilized emulsions, so called Pickering Emulsions, are known for more than a century. In such emulsions particles, mostly inorganic particles in the nm to µm range, adsorb to oil/water interfaces and stabilize emulsions by coulomb and sterical repulsion. Pickering emulsions are usually of very high stability, and a lot of energy is needed when such emulsions should be broken. Emulsions which stability depends on external stimuli have drawn much attention in recent years, as they are both of academical and industrial interest for a number of reasons. This work is about a new class of stimuli sensitive emulsions, which are stabilized by “smart” microgel particles. The particles that have been applied in this work are poly(N-isopropylacrylamide)-co-(methacrylic acid) (PNIPAM-co-MAA) microgels. Microgels are soft polymer particles which are swollen by a solvent, mostly water. Crosslinking of polymer chains restricts the swelling and avoids complete dissolution of the particle. If the solubility of the polymer in the solvent changes with temperature, the microgel made from this polymer becomes thermosensitive. In this case the thermosensitive PNIPAM is used, which turns water-insoluble above a temperature of about 32-34 °C. Incorporated in a microgel, PNIPAM expels the water from the interior of the microgel at that temperature and thus the microgel shrinks. The polymerized MAA adds a pH-sensitivity to the microgel. If a base is added to the microgel, charges are generated and the increasing osmotic pressure causes the microgel to swell further. These pH and T-sensitive particles are used for emulsion stabilization, creating stable emulsions at low temperature and high pH, while the emulsions can easily be broken at high temperature and low pH. A number of different techniques, like interfacial tension measurements, interfacial rheology and cryogenic scanning electron microscopy, have been applied in order to obtain a comprehensive picture about the origin of these effects. As is turned out, the basic concepts developed for Pickering Emulsions cannot be adapted for those emulsions. In fact, the mechanism of stabilization is mainly controlled by the visco-elastic properties of the interfacial microgel layer.

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