[논문 리뷰] NANOEMULSION STABILITY ABOVE THE CRITICAL MICELLE CONCENTRATION: A CONTEST BETWEEN SOLUBILIZATION, FLOCCULATION AND KRAFFT PRECIPITATION

Kareem Rahn-Chique, Oriana Barrientos외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 26.

Surfactants and Colloidal Systems참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 도데칸-물 나노에멀전을 사염화나트륨(dodecane-in-water nanoemulsions)으로, 7.5 mM SDS에서 임계미세세포 농도(CMC) 이상에서 용해화, 응집, Krafft 침전의 경쟁적 영향을 조사한다. 7.5 mM SDS 조건에서 투과도 변화는 용해화가 농탁도를 감소시키고, 응집과 Krafft 침전은 농탁도를 증가시킴을 보여주며, 염 농도는 Krafft 점을 조절하고 주요 불안정화 메커니즘을 이동시킨다. 시뮬레이션은 미셀 용해화가 시스템 안정화에 기여하는 역할을 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임계미세세포 농도(CMC) 이상에서 나노에멀전의 용해화, 응집, Krafft 침전 간의 상호작용을 이해하는 것.
• 염 농도가 SDS로 안정화된 도데칸-물 나노에멀전에서 이 세 가지 메커니즘이 불안정화에 미치는 상대적 지배력을 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 다양한 이온 강도와 온도 조건에서 시간에 따른 투과도 변화를 이용해 명백한 응집 속도를 정량화하는 것.
• 염 농도에 따른 Krafft 점의 변화를 순수 계면활성제 용액과 에멀전 모두에서 맵핑하는 것.
• 미셀 용해화를 고려한 소규모 시뮬레이션을 개발하여 시스템의 기계적 이해를 향상시키는 것.

제안 방법

• 0.5 mM 및 7.5 mM 농도의 SDS로 안정화된 도데칸-물 나노에멀전을 300, 500, 700 mM NaCl 농도에서 실험하였다.
• 5분 동안 투과도를 모니터링하여 명백한 응집 속도를 결정하였으며, 초기 60초 변화를 동역학 분석에 사용하였다.
• 다양한 염 농도와 시간 포인트에서 투과도 대 기름 부피 분율의 그래프를 그려 용해화 용량을 평가하였다.
• 순수 계면활성제 용액과 에멀전을 모두 사용하여 염 농도에 따른 Krafft 점을 측정하였다.
• 미셀 용해화와 시스템 안정성에 미치는 영향을 모델링하기 위해 소규모 시뮬레이션을 구현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 염 농도를 증가시킬 경우, CMC 이상에서 SDS로 안정화된 나노에멀전에서 용해화, 응집, Krafft 침전의 상대적 지배력은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 계면활성제 농도(0.5 mM 대비 7.5 mM)는 용해화와 응집 메커니즘 간의 균형을 어떻게 이동시키는가?
• RQ3 배위 용액과 에멀전 시스템 모두에서 이온 강도가 증가함에 따라 SDS의 Krafft 점은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 투과도 변화는 진정으로 응집 행동을 반영하는가? 이를 통해 용해화와 응집을 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 소규모 시뮬레이션은 미셀 용해화가 나노에멀전 안정성에 기여하는 정도를 효과적으로 캡처할 수 있는가?

주요 결과

• 0.5 mM SDS 조건에서는 시험한 염 농도 및 온도 범위(20–25 °C)에서 CMC 또는 Krafft 점에 도달하지 않아, 염 첨가 시 순수한 응집이 발생한다.
• 7.5 mM SDS 조건에서는 미셀 용해화가 시스템의 투과도를 감소시키고, 응집과 Krafft 침전은 투과도를 증가시키며, 이는 상반된 광학적 반응을 나타낸다.
• 초기 60초 동안의 투과도 변화를 통해 명백한 응집 속도를 정량화할 수 있었으며, 이는 염 농도와 온도에 따라 변했다.
• SDS의 Krafft 점은 염 농도 증가에 따라 상승하여 고이온 강도 환경에서 결정화에 대한 안정성이 향상됨을 나타낸다.
• 투과도 대 기름 부피 분율 그래프를 통해 용해화 용량이 확인되었으며, 고계면활성제 농도에서 기름 적재량 증가에 따라 농탁도 감소가 관찰되었다.
• 시뮬레이션은 미셀 용해화가 응집을 지연하거나 감소시키는 데 기여하며, CMC 이상에서 안정화 효과를 강조하였다.