Particle-Induced Phase Separation in Aqueous Solutions containing Colloidal Particles and Adsorbing Polymers

Abstract: Popular Abstract in Swedish I detta arbete har lösningar bestående av polymerer och kolloidala partiklar studerats. En polymer är en lång molekyl som består av många sammanlänkade repeterande enheter. En repeterande enhet är i sin tur den minsta enhet som återkommer i strukturen. Polymerer finns i många olika former i vår omgivning, både naturligt och syntetiskt framställda. Exempel på polymera material är stärkelse (i potatis), cellulosa (i träd), polyeten (vanligaste förekommande plastmaterialet) och DNA (innehåller genetisk information i kroppen). Kolloidala partiklar är små partiklar med en storlek på mellan en nanometer (10-9 m) och en mikrometer (10-6 m). Dessa partiklar kan befinna sig i fast-, flytande- eller gasform. Vanligtvis förekommer partiklarna i ett medium, där även mediumet kan vara i fast-, flytande- eller gasform. Kolloidala partiklar finns exempelvis i blod, mjölk och tandkräm. Det som har varit huvudintresset i detta arbete är stabiliteten hos vattenlösningar innehållande polymerer och kolloidala partiklar i fast form, där de kolloidala partiklarna har varit dispergerade i vatten. Stabiliteten är förstås av central betydelse för en lösnings egenskaper då man vill tillverka en blandning av polymerer och kolloidala partiklar, något som görs i olika tillämpningar som t ex läkemedelsberedningar, vattenbaserade färger och livsmedelsprodukter. Målsättningen med det här doktorandprojektet har varit att ge en ökad förståelse för varför vissa lösningar med polymerer och kolloidala partiklar blir instabila och hur man ska kunna undvika detta scenario. I de lösningar som studerats har åtminstone en av polymertyperna haft en attraktion till ytan på de kolloidala partiklarna. Vid tillsats av polymerer till en lösning bestående av kolloidala partiklar påverkas stabiliteten av denna. Det kan antingen ske en stabilisering eller en destabilisering av lösningen. Olika modeller för detta finns sedan tidigare. Specifikt intresse har givits en typ av mekanism som heter kapillär-inducerad fasseparation. Denna mekanism har nyligen upptäckts som en mekanism som kan förekomma vid tillsats av polymerer till en lösning med kolloidala partiklar. Mekanismen i sig är den samma som en kapillärkondensation vilket förekommer t ex när vattenånga kondenseras mellan två ytor. Kapillär-inducerad fasseparation leder till destabilisering av en lösning med kolloidala partiklar. Fokusering har även skett på hur stabiliteten av en lösning innehållande kolloidala partiklar kan förändras genom att polymermolekyler sätter sig på partiklarnas ytor och förändrar egenskaperna för de kolloidala partiklarna. Förändringar av egenskaperna för de kolloidala partiklarna kan även åstadkommas genom att ett ytaktivt material, en tensid, sätter sig på ytan på ett liknande sätt som polymererna. En tensid är ett ämne som består av en vattengillande och en vattenhatande del och är vanligt förekommande i disk- och tvättmedel. Istället för att undersöka vad som händer med en lösning bestående av kolloidala partiklar vid tillsats av polymerer, har tillsats av små mängder kolloidala partiklar skett till polymerlösningar. En polymerlösnings s k fasbeteende kan då förändras. De polymerlösningar som studerats har nämligen den inneboende egenskapen att de inte är stabila om man höjer temperaturen för mycket eller om man har för hög koncentration av polymer i lösningarna. När polymerlösningarna inte är stabila bildas två faser i lösningarna. Koncentrationen av polymer i de två faserna skiljer sig åt. Variation av längden på polymeren, användande av olika typer av polymerer och kolloidala partiklar, tillsats av salt samt olika koncentration av kolloidala partiklar är faktorer som har visat sig ha betydelse för stabiliteten på polymer-partikel lösningar. De effekter som har setts kan relateras till att mekanismen kapillär-inducerad fasseparation destabiliserar lösningarna eller att ytorna på de kolloidala partiklarna har modifierats genom att polymerer satt sig där och bidragit till försämrad stabilitet av lösningarna. Teoretiska beräkningar har utförts för att säkerställa de trender som har setts experimentellt då det gäller stabiliteten av polymerlösningar vid tillsats av kolloidala partiklar. Dessa har haft som grund att ta reda på vilket tillstånd som är det mest energetiskt gynnsamma i de studerade lösningarna; det stabila eller det instabila. Två olika modeller har satts upp som bygger på kända teorier för hur en polymer uppför sig dels i lösning och dels vid ytor. De teoretiska beräkningarna har visat sig stödja de experimentella resultaten samt givit ytterligare detaljinformation som ej har visats experimentellt.