Эффект электростатических взаимодействий в червеобразных мицеллах ПАВ на основе бетаина и заряженного третичного амина с одинаковыми гидрофобными группами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследованы вязкоупругие свойства и структура растворов смешанных червеобразных мицелл на основе цвиттерионного ПАВ олеиламидопропилдиметил карбоксибетаина (ОАПБ) и положительно заряженного олеиламидопропилдиметил амина (ОАПА) при разном соотношении между компонентами. При малой доле катионного ПАВ ОАПА раствор проявляет вязкоупругие свойства, характерные для полуразбавленных растворов переплетенных червеобразных мицелл, присутствие которых было подтверждено данными криогенной электронной микроскопии. Обнаружено, что по мере увеличения мольной доли заряженного ПАВ до 0.1 вязкость и время релаксации растворов падают в три раза, а значения модуля накопления при малых временах воздействия не изменяются. Используемые ПАВ имеют близкое строение, поэтому при замене молекул цвиттерионного ПАВ на положительно заряженные молекулы ОАПА главным фактором изменения свойств и структуры является усиление электростатического отталкивания на поверхности мицелл. Показано, что данный фактор приводит к уменьшению средней длины мицелл и увеличению количества мицелл, что слабо отражается на реологических свойствах системы, пока длина мицелл больше, чем длина субцепей в сетке. При увеличении мольной доли ОАПА с 0.1 до 0.5 наблюдается резкое падение вязкости и времени релаксации на порядки и потеря раствором вязкоупругого отклика, т. е. разрушение сетки. Данный переход от полуразбавленного раствора к разбавленному объясняется уменьшением длины червеобразных мицелл и образованием сферических мицелл. Изображения, полученные методом криогенной электронной микроскопии, подтвердили образование смеси длинных и коротких червеобразных мицелл со сферическими мицеллами при мольной доле ОАПА 0.5.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

У. Хао

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Россия, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва, 119991

В. С. Молчанов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Россия, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва, 119991

Ю. М. Чесноков

Курчатовский институт

Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Россия, пл. Академика Курчатова, д. 1, Москва, 123182

П. Р. Подлесный

Курчатовский институт

Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Россия, пл. Академика Курчатова, д. 1, Москва, 123182

О. Е. Филиппова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Россия, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва, 119991

Список литературы

  1. Granek R., Cates M.E. Stress relaxation in living polymers: Results from a Poisson renewal model // J. Chem. Phys. 1992. V. 96. № 6. P. 4758–4767. https://doi.org/10.1063/1.462787
  2. Walker L.M. Rheology and structure of worm-like micelles // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2001. V. 6. № 5-6. P. 451–456. https://doi.org/10.1016/S1359-0294(01)00116-9
  3. Magid L.J. The Surfactant – polyelectrolyte analogy // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 5647. № 97. P. 4064–4074. https://doi.org/10.1021/jp9730961
  4. Квятковский А.Л., Молчанов В.С., Филиппова О.Е. Полимероподобные червеобразные мицеллы ионогенных поверхностно-активных веществ: структура и реологические свойства // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2019. Т. 61. № 2. С. 180–192. https://doi.org/10.1134/S2308112019020081
  5. Shishkhanova K.B., Molchanov V.S., Baranov A.N., Kharitonova E.P., Orekhov A.S., Arkharova N.A., Philippova O.E. A pH-triggered reinforcement of transient network of wormlike micelles by halloysite nanotubes of different charge // J. Mol. Liq. 2023. V. 370. P. 121032. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.121032
  6. Молчанов В.С., Филиппова О.Е. Стимул-чувствительные системы на основе полимероподобных червеобразных мицелл ионогенных ПАВ и их современные применения // Высокомолекулярные соединения. Серия C. 2023. Т. 65. № 1. С. 122–137. https://doi.org/10.31857/S2308114723700309
  7. Lin Z., Cai J.J., Scriven L.E., Davis H.T. Spherical-to-wormlike micelle transition in CTAB solutions // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 23. P. 5984–5993. https://doi.org/10.1021/j100074a027
  8. Kuperkar K., Abezgauz L., Danino D., Verma G., Hassan P.A., Aswal V.K., Varade D., Bahadur P. Viscoelastic micellar water/CTAB/NaNO3 solutions: Rheology, SANS and cryo-TEM analysis // J. Colloid Interface Sci. 2008. V. 323. № 2. P. 403–409. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.04.040
  9. Croce V., Cosgrove T., Maitland G., Hughes T. Rheology, cryogenic transmission electron spectroscopy, and small-angle neutron scattering of highly viscoelastic wormlike micellar solutions // Langmuir. 2003. V. 19. № 10. P. 8536–8541. https://doi.org/10.1021/la0345800
  10. Lin Z., Eads C.D. Polymer-induced structural transitions in oleate solutions: Microscopy, rheology, and nuclear magnetic resonance studies // Langmuir. 1997. V. 13. № 10. P. 2647–2654. https://doi.org/10.1021/la961004d
  11. Flood C., Dreiss C.A., Croce V., Cosgrove T., Karlsson G.G. Wormlike micelles mediated by polyelectrolyte // Langmuir. 2005. V. 21. № 17. P. 7646–7652. https://doi.org/10.1021/la050326r
  12. Молчанов В.С., Шашкина Ю.А., Филиппова О.Е., Хохлов А.Р. Вязкоупругие свойства водных растворов анионного поверхностно-активного вещества – олеата калия // Коллоидный журнал. 2005. Т. 67. № 5. С. 668–671.
  13. Ziserman L., Abezgauz L., Ramon O., Raghavan S.R., Danino D. Origins of the viscosity peak in wormlike micellar solutions. 1. Mixed catanionic surfactants. A cryo-transmission electron microscopy study // Langmuir. 2009. V. 25. № 18. P. 10483–10489. https://doi.org/10.1021/la901189k
  14. Koehler R.D., Raghavan S.R., Kaler E.W. Microstructure and dynamics of wormlike micellar solutions formed by mixing cationic and anionic surfactants // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104. № 47. P. 11035–11044. https://doi.org/10.1021/jp0018899
  15. McCoy T.M., Valiakhmetova A., Pottage M.J., Garvey C.J., de Campo L., Rehm C., Kuryashov D.A., Tabor R.F. Structural evolution of wormlike micellar fluids formed by erucyl amidopropyl betaine with oil, salts, and surfactants // Langmuir. 2016. V. 32. № 47. P. 12423–12433. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01735
  16. Kumar R., Kalur G.C., Ziserman L., Danino D., Raghavan S.R. Wormlike micelles of a C22-tailed zwitterionic betaine surfactant: From viscoelastic solutions to elastic gels // Langmuir. 2007. V. 23. № 26. P. 12849–12856. https://doi.org/10.1021/la7028559
  17. Alargova R.G., Danov K.D., Petkov J.T., Kralchevsky P.A., Broze G. Sphere-to-Rod Transition in the shape of anionic surfactant micelles determined by surface tension measurements // Langmuir. 1997. V. 13. № 21. P. 5544–5551. https://doi.org/10.1021/la970399d
  18. Yavrukova V.I., Radulova G.M., Danov K.D., Kralchevsky P.A., Xu H., Ung Y.W., Petkov J.T. Rheology of mixed solutions of sulfonated methyl esters and betaine in relation to the growth of giant micelles and shampoo applications // Adv. Colloid Interface Sci. 2020. V. 275. P. 102062. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.102062
  19. Raghavan S.R., Edlund H., Kaler E.W. Cloud-point phenomena in wormlike micellar systems containing cationic surfactant and salt // Langmuir. 2002. V. 18. № 4. P. 1056–1064. https://doi.org/10.1021/la011148e
  20. Nagarajan R. Molecular packing parameter and surfactant self-assembly: The neglected role of the surfactant tail // Langmuir. 2002. V. 18. № 1. P. 31–38. https://doi.org/10.1021/la010831y
  21. Khatory A., Kern F., Lequeux F., Appell J., Porte G., Morie N., Ott A., Urbach W. Entangled versus multiconnected network of wormlike micelles // Langmuir. 1993. V. 9. № 4. P. 933–939. https://doi.org/10.1021/la00028a010
  22. Ghosh S., Khatua D., Dey J. Interaction between zwitterionic and anionic surfactants: Spontaneous formation of zwitanionic vesicles // Langmuir. 2011. V. 27. № 9. P. 5184–5192. https://doi.org/10.1021/la1040147
  23. Kamenka N., Chorro M., Talmon Y., Zana R. Study of mixed aggregates in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate and dodecyltrimethylammonium bromide // Colloids and Surfaces. 1992. V. 67. P. 213–222. https://doi.org/10.1016/0166-6622(92)80300-Q
  24. McCoy T.M., King J.P., Moore J.E., Kelleppan V.T., Sokolova A.V., de Campo L., Manohar M., Darwish T.A., Tabor R.F. The effects of small molecule organic additives on the self-assembly and rheology of betaine wormlike micellar fluids // J. Colloid Interface Sci. 2019. V. 534. P. 518–532. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.09.046
  25. Molchanov V.S., Efremova M.A., Orekhov A.S., Arkharova N.A., Rogachev A.V., Philippova O.E. Soft nanocomposites based on nanoclay particles and mixed wormlike micelles of surfactants // J. Mol. Liq. 2020. V. 314. P. 113684. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113684
  26. Chevalier Y., Melis F., Dalbiez J.P. Structure of zwitterionic surfactant micelles: Micellar size and intermicellar interactions // J. Phys. Chem. 1992. V. 96. № 21. P. 8614–8619. https://doi.org/10.1021/j100200a074
  27. Hoffmann H., Rauscher A., Gradzielski M., Schulz S.F. Influence of ionic surfactants on the viscoelastic properties of zwitterionic surfactant solutions // Langmuir. 1992. V. 8. № 9. P. 2140–2146. https://doi.org/10.1021/la00045a013
  28. Shibaev A.V., Tamm M.V., Molchanov V.S., Rogachev A.V, Kuklin A.I., Dormidontova E.E., Philippova O.E. How a viscoelastic solution of wormlike micelles transforms into a microemulsion upon absorption of hydrocarbon: New insight // Langmuir. 2014. V. 30. № 13. P. 3705–3714. https://doi.org/10.1021/la500484e
  29. Kwiatkowski A.L., Sharma H., Molchanov V.S., Orekhov A.S., Vasiliev A.L., Dormidontova E.E., Philippova O.E. Wormlike surfactant micelles with embedded polymer chains // Macromolecules. 2017. V. 50. № 18. P. 7299–7308. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b01500
  30. Shibaev A.V., Ospennikov A.S., Kuznetsova E.K., Kuklin A.I., Aliev T.M., Novikov V.V., Philippova O.E. Universal character of breaking of wormlike surfactant micelles by additives of different hydrophobicity // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 24. P. 4445. https://doi.org/10.3390/nano12244445
  31. Cates M.E., Candau S.J. Statics and dynamics of worm-like surfactant micelles // J. Phys. Condens. Matter. 1990. V. 2. № 33. P. 6869. https://doi.org/10.1088/0953-8984/2/33/001
  32. Molchanov V.S., Kuklin A.I., Orekhov A.S., Arkharova N.A., Philippova O.E. Temporally persistent networks of long-lived mixed wormlike micelles of zwitterionic and anionic surfactants // J. Mol. Liq. 2021. V. 342. P. 116955. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116955
  33. Oelschlaeger C., Schopferer M., Scheffold F., Willenbacher N. Linear-to-branched micelles transition: A rheometry and diffusing wave spectroscopy (DWS) study // Langmuir. 2009. V. 25. № 2. P. 716–723. https://doi.org/10.1021/la802323x
  34. Couillet I., Hughes T., Maitland G., Candau S.J. Growth and scission energy of wormlike micelles formed by a cationic surfactant with long unsaturated tails // Langmuir. 2004. V. 20. № 22. P. 9541–9550. https://doi.org/10.1021/la49046m
  35. Lu H., Wang L., Huang Z. Unusual pH-responsive fluid based on a simple tertiary amine surfactant: The formation of vesicles and wormlike micelles // RSC Adv. 2014. V. 4. № 93. P. 51519–51527. https://doi.org/10.1039/c4ra08004a
  36. Dreiss C.A. Wormlike micelles: Where do we stand? Recent developments, linear rheology and scattering techniques // Soft Matter. 2007. V. 3. № 8. P. 956–970. https://doi.org/10.1039/b705775j
  37. Christov N.C., Denkov N.D., Kralchevsky P.A., Ananthapadmanabhan K.P., Lips A. Synergistic sphere-to-rod micelle transition in mixed solutions of sodium dodecyl sulfate and cocoamidopropyl betaine // Langmuir. 2004. V. 20. № 3. P. 565–571. https://doi.org/10.1021/la035717p
  38. Rózańska S. Rheology of wormlike micelles in mixed solutions of cocoamidopropyl betaine and sodium dodecylbenzenesulfonate // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2015. V. 482. P. 394–402. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.06.045
  39. Qiao Y., Lin Y., Wang Y., Li Z., Huang J. Metal-driven viscoelastic wormlike micelle in anionic/zwitterionic surfactant systems and template-directed synthesis of dendritic silver nanostructures // Langmuir. 2011. V. 27. № 5. P. 1718–1723. https://doi.org/10.1021/la104447d

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение структуры цвиттерионного ПАВ ОАПБ и положительно заряженного со-ПАВ ОАПА.

Скачать (73KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Частотные зависимости модуля комплексной вязкости (закрашенные символы) и зависимости вязкости от скорости сдвига (пустые символы) для растворов ОАПБ с разной долей ОАПА, указанной на графиках: (а) в области слабой зависимости вяз‑ кости от доли ОАПА и (б) в области падения вязкости при увеличении доли ОАПА.

Скачать (184KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Частотные зависимости модуля накопления G' (закрашенные символы) и модуля потерь G" (пустые символы) для растворов (а) до 0.1 ОАПА в смеси с ОАПБ; (б) более 0.1 ОАПА в смеси с ОАПБ. Мольные доли ОАПА в смеси с ОАПБ представлены на графиках.

Скачать (196KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изображения, полученные методом криогенной просвечивающей электронной микроскопии для раствора ПАВ при общей концентрации 46 ммоль/л, содержащего цвиттерионное ПАВ ОАПБ и катионное ПАВ ОАПА, при мольной доле катионного ПАВ 0.018 (а) и 0.50 (б).

Скачать (273KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а) Зависимость вязкости при нулевой скорости сдвига; (б) терминального времени релаксации (треугольники) и модуля накопления G` при 10 рад/c (круги) от мольной доли ОАПА в смеси с цвиттерионным ОАПБ при постоянной общей концентрации ПАВ, равной 46 ммоль/л. Вертикальной линией отмечен переход к резкому изменению свойств. Горизонтальной линией на рис. 5а отмечено значение вязкости воды при температуре 30°C.

Скачать (59KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а) Схематическое изображение уменьшения длины и увеличения количества мицелл при замене части мо‑ лекул цвиттерионного ПАВ ОАПБ на молекулы положительно заряженного ПАВ ОАПА; (б) схематическое изо‑ бражение изменения структуры сетки в растворах при увеличении доли ОАПА.

Скачать (241KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024