Universität zu Köln

CO2-microemulsions with additives: Phase behaviour, microstructure and pressure-induced kinetics

Pütz, Yvonne (2015) CO2-microemulsions with additives: Phase behaviour, microstructure and pressure-induced kinetics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Improved building insulation is an important part of today´s efforts on energy saving. Here, nano-insulation materials promise especially low thermal conductivity. Therefore, an easy and cost-efficient production of these materials is an aim of present material research. One approach towards these materials is the expansion and fixation of polymerisable microemulsions of supercritical blowing agents. However, the nano-sized bubbles are found to undergo undesired coarsening processes. In order to reduce the increasing interfacial tension emerging during expansion and therewith the coarsening it was suggested to add low-molecular hydrophobic substances to the supercritical microemulsion. And indeed, the addition of cyclohexane to a microemulsion of the type brine – CO2 – fluorinated surfactants was found to reduce the fluorinated surfactant content – a measure for the interfacial tension - considerably. In this work a systematic small-angle neutron scattering (SANS) contrast variation was performed and the data were analysed by model-independent Fourier analysis. It was found that a concentration gradient of cyclohexane inside the CO2/cyclohexane microemulsion droplets forms. Interestingly, the analysis reveals a depletion zone close to the amphiphilic film which presumably develops due to the known repulsive interactions of cyclohexane and the fluorinated surfactant tails. Using a specially designed high pressure SANS cell to perform stroboscopic pressure jumps, the influence of cyclohexane on pressure-induced elongation of microemulsion droplets as well as the early state of foaming after expansion was studied. Here, the pressure-dependent thermodynamic stability of such microemulsions allows for a fast repeatability of the pressure cycles. It turned out that cyclohexane systematically slows down the structural changes in all processes. Parallel pressure jump experiments with poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) particles revealed that hydration and dehydration kinetics can be studied with the same experimental setup. The first kinetic experiments which combine a CO2-microemulsion mixed with PNIPAM particles indicate that PNIPAM acts as a stabiliser for the microemulsion and further reduces the thermodynamic driving force of the demixing process.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Gebäudeisolation stellt einen wichtigen Teil der Bemühungen zur Energieeinsparung dar, wobei nano-Isolationsmaterialien besonders niedrige Wärmeleitfähigkeiten versprechen. Eine einfache und kosteneffiziente Produktion solcher Materialien steht daher im Fokus aktueller Forschung. Eine Möglichkeit zur Herstellung solcher Materialien besteht aus Expansion und Fixierung einer polymerisierbaren Mikroemulsion mit überkritischem Treibmittel, wobei bei der Expansion allerdings durch Zunahme der Grenzflächenspannung Vergröberungsprozesse der nano-skaligen Tröpfchen auftreten können. Ein Ansatz, diese Alterung zu verringern, besteht aus dem Zusatz niedermolekularer hydrophober Substanzen zu der überkritischen Mikroemulsion. Durch Zugabe von Cyclohexan zu einer Mikroemulsion des Types Salzlösung – CO2 – fluorierte Tenside konnte eine deutliche Reduzierung des Tensidgehaltes – ein Maß für die Grenzflächenspannung – erzielt werden. In dieser Arbeit wurde eine systematische Kontrastvariation mit Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) durchgeführt, wobei die Daten mit einer modelunabhängigen Fourier-Analyse ausgewertet wurden. Es stellte sich heraus, dass ein Konzentrationsgradient an Cyclohexan innerhalb der mit CO2 und Cyclohexan gefüllten Mizellen gebildet wird. Dies macht deutlich, dass es zu einer Verarmung an Cyclohexan in der Nähe des amphiphilen Films kommt, welche auf die bekannten repulsiven Wechselwirkungen zwischen Cyclohexan und den fluorierten Tensidschwänzen zurückzuführen ist. Unter Verwendung einer speziell entwickelten Hochdruck-SANS-Zelle wurde bei stroboskopischen Drucksprüngen beobachtet, dass Cyclohexan die Kinetik von druckinduzierten Elongationen und die frühen Stadien des Schäumprozesses deutlich verlangsamt. Parallel dazu durchgeführte Drucksprungexperimente mit poly-(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) Partikeln zeigten, dass die Hydratations- und Dehydratationskinetiken ebenfalls mit diesem experimentellem Aufbau untersucht werden konnten. Erste kinetische Experimente, welche CO2-Mikroemulsionen mit PNIPAM Partikeln kombinieren, deuten an, dass PNIPAM als Stabilisator für die Mikroemulsion fungiert und die thermodynamische Triebkraft zur Entmischung weiter reduziert.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Pütz, Yvonneyvonne.puetz@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-62618
    Publisher: Cuvillier Verlag Göttingen
    ISBN: 978-3-7369-9042-5
    Subjects: Generalities, Science
    Natural sciences and mathematics
    Physics
    Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Mikroemulsionen, CO2, PNIPAM, Kinetic, Small Angle Neutron Scattering, Light Scattering, High pressureUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Physikalische Chemie
    Language: English
    Date: July 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 10 April 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 11 Aug 2015 10:53:59
    Referee
    NameAcademic Title
    Strey, ReinhardProf. Dr.
    Schmidt, Annette M.Prof. Dr
    Ruschewitz, UweProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6261

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