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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

У. Хао

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

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

В. С. Молчанов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: molchan@polly.phys.msu.ru
Russian Federation, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва, 119991

Ю. М. Чесноков

Курчатовский институт

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

П. Р. Подлесный

Курчатовский институт

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

О. Е. Филиппова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

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

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the structure of a zwitterionic surfactant OAPB and a positively charged co-surfactant OAPA.

Download (73KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Frequency dependences of the complex viscosity modulus (shaded symbols) and viscosity dependences on the shear rate (empty symbols) for OAPB solutions with different proportions of OAP indicated in the graphs: (a) in the region of weak dependence of viscosity‑ bones from the OAP fraction and (b) in the area of falling viscosity with an increase in the OAP fraction.

Download (184KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Frequency dependences of the accumulation modulus G' (shaded symbols) and the loss modulus G" (empty symbols) for solutions (a) up to 0.1 OAP mixed with OAPB; (b) more than 0.1 OAP in a mixture with OAPB. The molar fractions of OAP in a mixture with OAPB are shown in the graphs.

Download (196KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Images obtained by cryogenic transmission electron microscopy for solution Surfactant at a total concentration of 46 mmol/l containing zwitterionic surfactant OAPB and cationic surfactant OAPA, with a molar fraction of cationic surfactant 0.018 (a) and 0.50 (b).

Download (273KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. (a) Viscosity dependence at zero shear rate ; (b) the terminal relaxation time (triangles) and the accumulation modulus G` at 10 rad/c (circles) of the molar fraction of OAP in a mixture with zwitterionic OAPB at a constant total surfactant concentration of 46 mmol/L. The vertical line marks the transition to a sharp change in properties. The horizontal line in Fig. 5a shows the value of the viscosity of water at a temperature of 30 °C.

Download (59KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. (a) Schematic representation of a decrease in the length and an increase in the number of micelles when replacing part of the molecules of a zwitterionic surfactant OAPB with molecules of a positively charged surfactant OAP; (b) schematic representation of the change in the structure of the grid in solutions with an increase in the proportion of OAP.

Download (241KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies