Effects of Nonionic Surfactants on the Interaction of Different Nanoparticle Materials on Glass Surfaces

Einfluss von nichtionischen Tensiden auf die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Nanopartikel-Materialien und Glasoberflächen

  • Die Haftung feiner Partikel an Oberflächen und deren Abtrennung ist für einige Anwendungen in der Industrie von wesentlicher Bedeutung. Beispiele hierfür sind Reinigungsprozesse, die Partikelfiltrationen und die Erdölgewinnung. Seit kurzem ist Adhäsion auf Halbleiteroberflächen und in den biologischen Systemen wie Zellen oder Viren Mittelpunkt von vielen Forschungsprojekten gewesen. Die dabei verwendeten Methoden zur Partikelentfernung lassen sich in drei Gruppen einteilen: nasse chemische MethoDie Haftung feiner Partikel an Oberflächen und deren Abtrennung ist für einige Anwendungen in der Industrie von wesentlicher Bedeutung. Beispiele hierfür sind Reinigungsprozesse, die Partikelfiltrationen und die Erdölgewinnung. Seit kurzem ist Adhäsion auf Halbleiteroberflächen und in den biologischen Systemen wie Zellen oder Viren Mittelpunkt von vielen Forschungsprojekten gewesen. Die dabei verwendeten Methoden zur Partikelentfernung lassen sich in drei Gruppen einteilen: nasse chemische Methoden, mechanische Techniken und trockene Prozesse. Bei den Untersuchungen stellte sich jedoch heraus, dass diese Methoden bei Nanopartikeln nicht effektiv arbeiten, weil starke Adhäsionskräfte auf die Partikel wirken und auch die Partikelbeschaffenheit der Trennung entgegenwirkt. In dieser Arbeit sollten daher die Vorteile der ersten beiden Techniken kombiniert werden, indem man einerseits eine hydrodynamische Kraft auf die Partikel ausübt und anderseits nichtionische Tenside verwendet, um die Partikel leichter von der Oberfläche zu lösen. Ein weiteres Ziel war es, die Effekte der nichtionischen Tenside auf die Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Glasoberfächen zu studieren. Hierzu wurden zunächst Nanopartikel unterschiedlicher Materialien in w/o-Mikroemulsionen synthetisiert. Dieses Verfahren hat die Herstellung von Nanopartikeln mit geringer Größenstreuung ermöglicht. Zudem wurde eine Methode zur Beschichtung von Glasoberflächen mit Nanopartikeln entwickelt. Bei dieser Methode wurden die Nanopartikel in reversen Micellen hergestellt und auf die Oberflächen aufgetragen. Anschließend wurde die mizellare Struktur durch Wärmebehandlung zerstört. Es bildete sich eine monomolekulare Schicht aus Partikeln aus. Bei Versuchen stellte sich heraus, dass das Verfahren gut zur Abscheidung von Partikeln auf Oberflächen geeignet ist. Um die Abtrennung der Partikel von den Oberflächen zu untersuchen, wurde außerdem eine Vorrichtung entwickelt, mit der durch Flüssigkeitsbewegung eine hydrodynamische Kraft auf die Partikel ausgeübt werden kann. Zudem lässt sich die Tensidkonzentration variieren. Das Ausmaßder Partikelabtrennung wurde mit Hilfe von UV-Absorption und der Berechnung des Extinktionskoeffizienten bestimmt. Es stellte sich heraus, dass bei Zunahme von Fließgeschwindigkeit und Tensidkonzentration eine verstärkte Ablösung der Partikel stattffindet. Diese Ergebnisse der Untersuchungen wurden diskutiert, indem die theoretischen Grundlagen für Wechselwirkungen von Partikeln und Oberflächen (DLVO-Theorie) und der hydrodynamischen Kraft herangezogen wurden. Zudem wurde der Einuss der Tenside auf die Wechselwirkung erläutert.show moreshow less
  • Adhesion or detachment of fine particles from a surface is of interest in several industrial applications such as detergency, particle filtration and oil production. Recently, adhesion on semiconductor surfaces and in biological systems such as cells or viruses has been center of many researches. However, efficient particle detachment is extremely difficult because of the strong adhesion forces and the nature of the particulate. Particle removal methods are generally classified into three categoAdhesion or detachment of fine particles from a surface is of interest in several industrial applications such as detergency, particle filtration and oil production. Recently, adhesion on semiconductor surfaces and in biological systems such as cells or viruses has been center of many researches. However, efficient particle detachment is extremely difficult because of the strong adhesion forces and the nature of the particulate. Particle removal methods are generally classified into three categories, wet chemical methods, mechanical techniques and dry processes. Unfortunately, all these methods do not work effectively when the particles have a size of nanometers. Therefore, the advantages of the first two techniques were combined to improve the removal by applying an external force "Hydrodynamic force" and by employing a solution of "Nonionic surfactant" to modify the interactions between the solids "particle-substrate". The aim of this research was to study the effects of nonionic surfactants on the interactions between nanoparticles and glass surfaces. To reach this objective, nanoparticles of different materials were synthesized in w/o-microemulsions. This procedure has been employed in several experiments to obtain fine particles with a good control of their sizes in nanometer ranges. A method to coat glass surfaces with the particles was developed. The method is based on coating the surfaces with the nanoparticles inside the micelles. Afterwards, the micellar structure is destroyed by heat treatment. The developed method allowed to obtain coated samples with homogenous monolayer of nanoparticles. The use of the reverse micelles for this purpose resulted a suitable medium for controlled deposition. In order to test the detachment of the fine particles from the surfaces a device was designed, which was based on the application of a hydrodynamic force. The motion of a fluid inside a cylinder causes this force. The variation in the velocity of the fluid and changes in the properties of the surfactant solutions acts to debilitate the adhesion force between the particles and the substrate. Finally, measurement of U.V. absorption and calculating of the attenuation coefficient allowed the quantification of the particle detachment. The results were discussed in terms of the physicochemical interactions that keep the particles attached on the surfaces (DLVO-Theory), the hydrodynamic force acting on the attached particles at the glass surfaces and the influence of the surfactant on the interactions particle-glass.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alejandra Inmaculada López Trosell
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-9541
Advisor:Prof. Dr. Reinhard Schomäcker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/04/20
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2005/03/30
Release Date:2005/04/20
Tag:Abtrennung; Adhäsion; Haftung; Nanopartikel; Tenside
Adhesion; detachment; nanoparticles; surfactants
Institutes:Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:660 Chemische Verfahrenstechnik
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