Advanced

Phase Diagrams, Microstructure and Phase Separation in Alkyl Glucoside Systems

Reimer, Johan LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Tensider, eller amfifiler, är molekyler som består av en hydrofil (”vattenälskande”) och en hydrofob (”vattenskyende”) del. Denna dualistiska karaktär ger tensider speciella egenskaper av vilken den viktigaste är att den självaggregerar i en del lösningsmedel, som i de allra flesta tillämpningar är vatten. Självaggregeringen i vattenlösningar beror på att vattnet vill ha så liten kontakt som möjligt med tensidens hydrofoba del. Den enklaste formen av aggregat är den sfäriska micellen, där de hydrofila huvudena pekar utåt och de hydrofoba svansarna pekar in mot mitten. Detta arrangemang gör att molekylernas vattenskyende kolvätesvansar inte kommer i kontakt med vattnet som omger ... (More)
Popular Abstract in Swedish

Tensider, eller amfifiler, är molekyler som består av en hydrofil (”vattenälskande”) och en hydrofob (”vattenskyende”) del. Denna dualistiska karaktär ger tensider speciella egenskaper av vilken den viktigaste är att den självaggregerar i en del lösningsmedel, som i de allra flesta tillämpningar är vatten. Självaggregeringen i vattenlösningar beror på att vattnet vill ha så liten kontakt som möjligt med tensidens hydrofoba del. Den enklaste formen av aggregat är den sfäriska micellen, där de hydrofila huvudena pekar utåt och de hydrofoba svansarna pekar in mot mitten. Detta arrangemang gör att molekylernas vattenskyende kolvätesvansar inte kommer i kontakt med vattnet som omger micellen.



Beroende på halten tensid och vilka egenskaper den har kan andra aggregat av olika storlekar och former bildas t.ex. cylindrar, bilager och kubiska strukturer.



Tensider används i många olika sammanhang där man vill påverka ytkemiska egenskaper och spelar en viktig roll i produkter som rengöringsmedel, kosmetika, läkemedel och mat såväl som i många industriella processer.



Tensider används i mycket stor skala vilket gör det viktigt att minska deras påverkan på miljön. Det kan åstadkommas genom att använda naturprodukter som råvaror, genom att förbättra tillverkningsmetoderna och genom att minska användningen av begränsade resurser som energi och lösningsmedel. En nyligen introducerad klass av tensider, som är miljövänligare än traditionellt använda tensider, är ”sockertensider”. De är miljövänligare eftersom de är biologiskt nedbrytbara och kan produceras från förnyelsebara råvaror. De kallas sockertensider eftersom tensidens hydrofila del är baserad på glukos.



Tensider kallas även för ytaktiva ämnen eftersom de ansamlas vid gränsytor t.ex. vatten/luft eller vatten/fast ämne men också vid gränsytan mellan två ej blandbara lösningsmedel som vatten och olja. I din vardag hittar du många exempel på denna typ av blandningar: mjölk är fettdroppar i vatten, majonnäs är vattendroppar i olja, hudkräm är fettdroppar i vatten osv. Alla dessa är exempel på termodynamiskt instabila emulsioner med ganska stora droppar. Att de är termodynamisk instabila betyder att dropparna har en tendens att slå sig samman till större droppar för att minska den sammanlagda ytarean och därmed den totala energin i systemet. Till slut (det kan ta flera år) bildar vattnet och oljan spontat två lager med den lättare oljan ovanpå det tyngre vattnet, emulsionen har “spruckit” och en fasseparation har uppstått.



En annan typ av vatten och olja blandningar som har studerats i denna avhandling är mikroemulsioner. En mikroemulsion är en isotrop (samma egenskaper i alla riktningar) genomskinlig blandning av tensid, vatten och olja, vilken är termodynamisk stabil. Den kan vara oljekontinuerlig, vattenkontinuerlig eller bikontinuerlig beroende på koncentration samt tensidens egenskaper. I fallet med vatten i olja består systemet av vattendroppar med relativt snäv storleksfördelning i storleksområdet 2-100 nm (miljarddels meter) omgivna av ett monolager tensid. De små dropparna i mikroemulsioner gör att de inte sprider ljus dvs. är klara genomskinliga lösningar till skillnad mot t.ex. mjölkemulsionen som beskrivits ovan.



Mikroemulsioners förmåga att solubilisera (lösa) flera olika typer av ämnen i en isotrop lösning av vatten och olja gör att de kan användas i många tekniska applikationer. Ett exempel där mikroemulsionerna är oöverträffade är vid rengöring av hårda ytor. Smuts är ju oftast en komplex blandning av hydrofila och hydrofoba ämnen som då kan lösas i mikroemulsionen. De kan också användas som läkemedelsbärare, eller som reaktionsmedium för kemiska reaktioner.



Målet med studierna i den här avhandlingen har varit att undersöka de fysikalisk kemiska egenskaperna hos sockertensider för att bidra till förståelsen av hur denna nya typ av tensid beter sig i vatten lösningar och hur man kan göra mikroemulsioner med sockertensider.



Detta har framför allt gjorts genom undersökning och karaktärisering av strukturen hos olika former av aggregat som bildas genom diffusionsmätningar. Kunskap om strukturen och hur den förändras då sammansättningen förändras har gett en ökad förståelse av sockertensiderna. De viktigaste resultaten är:



• Starka bevis för grenade miceller i sockertensid/vatten system.



• En ökad förståelse av orsakerna till den fasseparation som uppstår i en utspädd vattenlösning med en sockertensid som har 10 kolatomer i kolvätesvansen.



• Fastställandet av olika mikrostrukturer från olja-i-vatten via bikontinuerlig till vatten-i-olja mikroemulsioner då vatten/olja halten förändras.



• Förståelse av vilken parameter det är som styr egenskaperna för tensidfilmen i mikroemulsioner med sockertensider. (Less)
Abstract
The aim of this thesis work was to study phase diagrams, microstructure and phase separation in alkylglucoside systems. Both alkyl glucoside/water systems and microemulsions with alkyl glucosides have been studied.



The phase diagram of the ternary n -nonyl-beta-glucoside (C<sub>9</sub>G<sub>1</sub>)/ n -decyl-beta-glucoside (C<sub>10</sub>G<sub>1</sub>)/water system has been determined and is discussed in relation to the binary C<sub>9</sub>G<sub>1</sub>/water and C<sub>10</sub>G<sub>1</sub>/water phase diagrams. The evolution of the microstructure has been determined by means of NMR diffusometry along dilution lines through... (More)
The aim of this thesis work was to study phase diagrams, microstructure and phase separation in alkylglucoside systems. Both alkyl glucoside/water systems and microemulsions with alkyl glucosides have been studied.



The phase diagram of the ternary n -nonyl-beta-glucoside (C<sub>9</sub>G<sub>1</sub>)/ n -decyl-beta-glucoside (C<sub>10</sub>G<sub>1</sub>)/water system has been determined and is discussed in relation to the binary C<sub>9</sub>G<sub>1</sub>/water and C<sub>10</sub>G<sub>1</sub>/water phase diagrams. The evolution of the microstructure has been determined by means of NMR diffusometry along dilution lines through the micellar region of the ternary phase diagram. It was found that the phase separation, observed in the dilute C<sub>10</sub>G<sub>1</sub> rich region of the C<sub>9</sub>G<sub>1</sub>/C<sub>10</sub>G<sub>1</sub>/water phase diagram, is due to differences in the networks in different regions of the phase diagram. Networks rich in C<sub>9</sub>G<sub>1</sub> are more likely to undergo scissions and breaks apart more easily, whereas the network rich in C<sub>10</sub>G<sub>1</sub> are less likely to have scissions and thus deal with dilution stress by separation into two phases. The phase behavior in the water/ n -octane/ n -octyl-beta-glucoside (C<sub>8</sub>G<sub>1</sub>)/1-octanol system together with the four ternary phase diagrams of the system have been studied. The tuning parameter for curvature in the quaternary alkyl glucoside microemulsion systems is not the overall 1-octanol content but the volume fraction of 1-octanol in the amphiphilic film. The types of microstructures formed along the trajectory of the middle-phase have been examined by NMR diffusometry. The diffusion measurements provide clear evidence of the transition from oil-in-water to water-in-oil microemulsions via bicontinuous structures in a remarkably large range around phase inversion. A novel phase separation into two coexisting concentrated micellar solutions has been discovered in the ternary water/C<sub>8</sub>G<sub>1</sub>/ n -octane system.



Finally, further evidence for the presence of branched micelles in the alkyl glucoside/water systems is presented from NMR diffusometry applied to n -octane as a probe in the C<sub>8</sub>G<sub>1</sub>/water system. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof. Kronberg, Bengt, Ytkemiska Institutet, Stockholm
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Fysikalisk kemi, Physical chemistry, micellar network, NMR diffusometry, microemulsion, microstructure, phase diagram, phase separation, phase behaviour, alkyl glucoside, sugar surfactant
pages
38 pages
publisher
Johan Reimer, Chemical Centre, Lund University
defense location
Hörsal B, Kemicentrum Sölvegatan 39, Lund
defense date
2003-11-28 10:15
ISBN
91-7422-036-5
language
English
LU publication?
yes
id
ccaa6fc2-0437-4b01-8bb3-a72e9f264fcf (old id 466409)
date added to LUP
2007-10-14 14:33:33
date last changed
2016-09-19 08:45:09
@misc{ccaa6fc2-0437-4b01-8bb3-a72e9f264fcf,
  abstract     = {The aim of this thesis work was to study phase diagrams, microstructure and phase separation in alkylglucoside systems. Both alkyl glucoside/water systems and microemulsions with alkyl glucosides have been studied.<br/><br>
<br/><br>
The phase diagram of the ternary n -nonyl-beta-glucoside (C&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;)/ n -decyl-beta-glucoside (C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;)/water system has been determined and is discussed in relation to the binary C&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/water and C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/water phase diagrams. The evolution of the microstructure has been determined by means of NMR diffusometry along dilution lines through the micellar region of the ternary phase diagram. It was found that the phase separation, observed in the dilute C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt; rich region of the C&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/water phase diagram, is due to differences in the networks in different regions of the phase diagram. Networks rich in C&lt;sub&gt;9&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt; are more likely to undergo scissions and breaks apart more easily, whereas the network rich in C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt; are less likely to have scissions and thus deal with dilution stress by separation into two phases. The phase behavior in the water/ n -octane/ n -octyl-beta-glucoside (C&lt;sub&gt;8&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;)/1-octanol system together with the four ternary phase diagrams of the system have been studied. The tuning parameter for curvature in the quaternary alkyl glucoside microemulsion systems is not the overall 1-octanol content but the volume fraction of 1-octanol in the amphiphilic film. The types of microstructures formed along the trajectory of the middle-phase have been examined by NMR diffusometry. The diffusion measurements provide clear evidence of the transition from oil-in-water to water-in-oil microemulsions via bicontinuous structures in a remarkably large range around phase inversion. A novel phase separation into two coexisting concentrated micellar solutions has been discovered in the ternary water/C&lt;sub&gt;8&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/ n -octane system.<br/><br>
<br/><br>
Finally, further evidence for the presence of branched micelles in the alkyl glucoside/water systems is presented from NMR diffusometry applied to n -octane as a probe in the C&lt;sub&gt;8&lt;/sub&gt;G&lt;sub&gt;1&lt;/sub&gt;/water system.},
  author       = {Reimer, Johan},
  isbn         = {91-7422-036-5},
  keyword      = {Fysikalisk kemi,Physical chemistry,micellar network,NMR diffusometry,microemulsion,microstructure,phase diagram,phase separation,phase behaviour,alkyl glucoside,sugar surfactant},
  language     = {eng},
  pages        = {38},
  publisher    = {ARRAY(0xa479c18)},
  title        = {Phase Diagrams, Microstructure and Phase Separation in Alkyl Glucoside Systems},
  year         = {2003},
}