The Interaction between Triblock Copolymers and Surfactants in Dilute Aqueous Solution

Abstract

The solution properties of dilute aqueous solutions of poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO) triblock copolymers and their interaction with surfactants have been investigated using static and dynamic light scattering, combined with small angle X-ray scattering, calorimetry and nuclear magnetic resonance techniques.



In aqueous solution, the triblock copolymers P123 and F127 (EO20PO68EO20 and EO97PO68EO97, respectively) form micelles with a PPO core and a PEO corona. The triblock copolymer L121 (EO5PO68EO5) forms vesicles, that are quasi-stationary, by increasing the temperature into a two-phase region.



The P123 and the F127 micelles interact with a cationic (hexadecyltrimethylammonium chloride), an anionic (sodium dodecyl sulfate) and a nonionic [hexa(ethylene oxide) monododecyl ether] surfactant. The interaction behavior can be divided into three different surfactant concentration intervals. At low surfactant concentrations the copolymers and surfactants form a spherical mixed complex, which resembles a block copolymer micelle. In the ionic surfactant cases, the low surfactant concentration regime is followed by a narrow concentration interval, where two coexisting complexes (a large block copolymer micelle-surfactant complex and a small surfactant-copolymer complex) are found. At high ionic surfactant concentrations, the copolymer micelles are broken up due to the electrostatic interaction and only small surfactant-copolymer complexes are left. The surfactant-copolymer complex resembles a pure surfactant micelle. In the case of the nonionic surfactant, a single mixed complex is formed over the whole surfactant concentration range investigated. This complex undergoes a structural change and grows in one dimension into a rod-like complex at elevated temperatures (40 °C and above) and at high surfactant concentrations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I detta arbete har lösningsegenskaperna av treblocksampolymerer samt deras växelverkan med tensider i utspädda vattenlösningar studerats med hjälp av statisk och dynamiskljusspridning i kombination med andra experimentella tekniker så som kalorimetri, lågvinkel röntgenspridning och själv-diffusionskärnspinresonans. Både hur treblocksampolymerer bildar olika typer av aggregerat och hur de påverkas av olika tensider har undersökts. Hur dessa båda molekyler påverkar varandra är intressant då de ofta förekommer inom olika industriella och farmaceutiska användingsområden. Både blocksampolymer och tensider har egenskaper som gör dem mycket användbara, t.ex. som mikrobehållare för att transportera läkemedel i, kosmetika, förhindra adsorption av blodplasma i slangar, rengöringsmedel, vätning, förtjockare, m.m.. Alla dessa användningsområden är en konsekvens av främst de dubbla egenskaper som dessa båda molekyler har. Med den dubbla egenskapen menas att de är sammansatta av en del som dras till vatten och en del som dras till oljelösningar (och skyr vatten). Detta gör att de trivs bäst vid olika olje-vatten gränsytor. Dessa molekyler katogoriseras under samlingsnamnet amfifila molekyler. En annan egenskap som amfifiler har är att de ”slår sig samman” (aggregerar) med andra tensidmolekyler och bildar ”bollar” (miceller). Ytan på ”bollen” består av den del av amfifilen som gillar vatten och den del som skyr vatten finns inuti ”bollen”. Vid högre koncentration av de amfifila molekylerna kan andra geometriska former bildas som t.ex. stavar, diskar och vesiklar, m.fl..



Skillnaden mellan de blocksampolymerer och de tensider som vi har studerat i detta arbete är att blocksampolymererna är ca. 10 ggr större än tensiderna. Effekterna har studerats då man utgått från blocksampolymermiceller i vatten och sedan tillsatt tensid i olika mängder. Vi har funnit att de båda molekylerna växelverkar och att de båda amfifilerna bildar blandmiceller. Vid tillräckligt hög koncentration av laddade tensider kommer blocksampolymermicellen att ha brutits upp och en blandmicell bestående främst av tensiden kommer att vara den återstående strukturen. Mellan dessa båda ytterligheter finns ett litet koncentrationsintervall där de båda typerna av blandmiceller samexsisterar. I fallet då en oladdad tensid har använts bildas även här blandmiceller. Dessa blir stav-liknande vid höga koncentrationer av oladdade tensider. Dessa forskningsresultat kan vara av intresse för andra som ett modellsystem då man funderar på att använda eller redan har blocksampolymer och tensider blandade i vattenlösning. Även för att visa vilka effekter som kan erhållas då de blandas samman.



Denna studie har främst bedrivits med den experimentella mätmetoden ljusspridning, vilket är en metod som under gynnsamma förhållanden bl.a. kan mäta storleken på molekyler och på molekyl aggregat i storleksområdet (1-1000 nm). För att sätta detta i ett perspektiv så kan man endast se ett aggregat med storleken > 500 nm i ett mikroskåp.

• author: Jansson, Jörgen
• supervisor: Karin Schillén
• opponent: Prof. Schurtenberger, Peter, Université de Fribourg, Perolles, Switzerland
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: Polymer technology, biopolymers, Polymerteknik, Physical chemistry, Fysikalisk kemi, Calorimetry, SAXS, DLS, SLS, Light scattering, Structure, Complex, Block copolymer-surfactant interaction, Block copolymer vesicles, Self-assembly, Triblock copolymers, NMR
• pages: 146 pages
• defense location: Lecture hall C, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
• defense date: 2004-10-08 10:15:00
• ISBN: 91-7422-049
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Paper IThe Interaction between PEO-PPO-PEO Triblock Copolymers and Ionic Surfactants in Aqueous Solution Studied Using Light Scattering and CalorimetryJansson, J.; Schillén, K.; Olofsson, G.; da Silva, R. C.; Loh, W.J. Phys. Chem. B 2004, 108, 82-92. Article: Paper IIA Small Angle X-ray scattering, Light Scattering, and NMR study of PEO-PPO-PEO Triblock Copolymer/Cationic Surfactant Complexes in Aqueous SolutionJansson, J.; Schillén, K.; Nilsson, M.; Söderman, O.; Fritz, G.; Bergmann, A. and Glatter, O.Submitted to J. Phys. Chem. B Article: Paper IIIDynamic and Static Light Scattering Studies of a PEO-PPO-PEO Triblock Copolymer/Nonionic Surfactant System in WaterJansson J.; Löf D.; Schillén K.; Costa T.Submitted to J. Phys. Chem. B Article: Paper IVSpontaneous Vesicle Formation in a Block Copolymer SystemBryskhe, K.; Jansson, J.; Topgaard, D.; Schillén, K.; Olsson, U.J. Phys. Chem. B 2004, 108, 9710-9719.
• id: 88fc09de-49fd-48d6-b8dc-5f1a9c40c479 (old id 467325)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:14:51
• date last changed: 2021-10-25 15:37:29