Phase Diagrams, Microstructure and Phase Separation in Alkyl Glucoside Systems

Abstract: 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.