[論文レビュー] NANOEMULSION STABILITY ABOVE THE CRITICAL MICELLE CONCENTRATION: A CONTEST BETWEEN SOLUBILIZATION, FLOCCULATION AND KRAFFT PRECIPITATION

Kareem Rahn-Chique, Oriana Barrientos+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Surfactants and Colloidal Systems参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ドデカン水系ナノエマルジョンを十二酸ルビジウム（SDS）で安定化させ、臨界ミセル濃度（CMC）を超える領域における、溶解化、凝集、およびクラフト沈殿の競合的効果を調査した。7.5 mM SDS条件下では、吸光度の変化から、溶解化が濁度を低下させるのに対し、凝集およびクラフト沈殿は濁度を増加させることを明らかにした。塩濃度はクラフト点を調節し、主な不安定化機構をシフトさせ、シミュレーションによりミセルの溶解化が系の安定化に寄与することが示された。

ABSTRACT

The relative importance of micelle solubilization and Krafft temperature on the appraisal of the flocculation rate is studied using a dodecane-in-water nanoemulsion as a model system. In 0.5 mM solutions of sodium dodecylsulfate (SDS), neither the critical micelle concentration (CMC) nor the Krafft point of the surfactant are attained between 300 and 700 mM NaCl and 20 < T < 25 °C. Hence, the addition of salt to a SDS-stabilized nanoemulsion only induces aggregation. Conversely, a surfactant concentration of 7.5 mM SDS promotes micelle solubilization or crystal precipitation depending on the physicochemical conditions. Solubilization decreases the absorbance of the system while flocculation and Krafft precipitation increase it. In this paper, the actual variation of the absorbance above the CMC was followed during five minutes for 300, 500 and 700 mM NaCl. The initial 60-second changes were used to determine apparent aggregation rates. The solubilization capacity of the systems was appraised using plots of absorbance vs. volume fraction of oil for different salt concentrations and observation times. The variation of the Krafft point as a function of the salt concentration was also studied using surfactant solutions and emulsions. Finally, small-scale simulations accounting for micelle solubilization were implemented in order to advance in the comprehension of the problem.

研究の動機と目的

• 臨界ミセル濃度（CMC）を超える領域におけるナノエマルジョンにおいて、溶解化、凝集、およびクラフト沈殿の相乗的相互作用を理解すること。
• 塩濃度が、SDSで安定化されたドデカン水系ナノエマルジョンの不安定化に寄与する3つのメカニズムの相対的優位性に与える影響を特定すること。
• イオン強度および温度を変化させた条件下で、時間経過に伴う吸光度変化を用いて、顕著な凝集速度を定量すること。
• 塩濃度を関数としてのクラフト点の変動を、界面活性剤溶液およびエマルジョンの両方においてマッピングすること。
• ミセルの溶解化を考慮した小スケールのシミュレーションを構築し、系のメカニズム的理解を深めること。

提案手法

• 300、500、700 mM NaClの塩濃度を有する0.5 mMおよび7.5 mMのSDSで安定化されたドデカン水系ナノエマルジョンを用いて実験を実施した。
• 5分間にわたり吸光度をモニタリングし、顕著な凝集速度を決定した。初期60秒間の変化を動力学的解析に用いた。
• 塩濃度および時間の異なる条件下で、吸光度と油体積分率のプロットを用いて、溶解化容量を評価した。
• 純粋な界面活性剤溶液およびエマルジョンを用いて、塩濃度関数としてのクラフト点を測定した。
• ミセルの溶解化とその系の安定性への影響をモデル化するため、小スケールのシミュレーションを実装した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塩濃度を上昇させることで、CMCを超える領域におけるSDSで安定化されたナノエマルジョンにおいて、溶解化、凝集、クラフト沈殿の相対的優位性はどのように変化するか？
• RQ2 界面活性剤濃度（0.5 mM 対 7.5 mM）が、溶解化と凝集メカニズムのバランスに与える影響は何か？
• RQ3 ボリューム溶液およびエマルジョン系の両方において、イオン強度の上昇に伴いSDSのクラフト点はどのように変化するか？
• RQ4 吸光度の変化は、凝集挙動を真に反映しているか。また、溶解化と凝集を区別するためにどのように利用できるか？
• RQ5 小スケールのシミュレーションは、ミセルの溶解化がナノエマルジョンの安定性に与える寄与を効果的に捉えられるか？

主な発見

• 0.5 mM SDSでは、測定した塩濃度および温度範囲（20–25 °C）において、CMCおよびクラフト点に到達せず、塩添加により純粋な凝集が生じた。
• 7.5 mM SDSでは、ミセルの溶解化が系の吸光度を低下させる一方で、凝集およびクラフト沈殿は吸光度を増加させ、光学的応答が競合的であることが示された。
• 初期60秒間の吸光度変化を用いることで、塩濃度および温度に応じた顕著な凝集速度の定量が可能となった。
• SDSのクラフト点は塩濃度の上昇に伴い上昇し、高イオン強度環境下で結晶化に対する安定性が向上することを示した。
• 吸光度対油体積分率プロットにより、高界面活性剤濃度下で油負荷量の増加に伴い濁度が低下する傾向が確認され、溶解化容量の裏付けが得られた。
• シミュレーションにより、ミセルの溶解化が凝集の遅延または低減に寄与し、CMCを超える領域で安定化効果を示すことが支持された。