[論文レビュー] THEORETICAL PREDICTION AND EXPERIMENTAL MEASUREMENT OF THE MIXED FLOCCULATION/COALESCENCE RATE OF IONIC HEXADECANE-IN-WATER NANO-EMULSIONS

Germán Urbina-Villalba, Neyda García-Valera+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2015

Surfactants and Colloidal Systems参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、塩化ナトリウム（NaCl）濃度を変化させた界面活性剤（SDS）で安定化されたイオン性ヘキサデカン水系ナノエマルジョンにおける混合凝集／凝集速度定数（kFC）について、理論的および実験的考察を実施した。kFCは界面活性剤の塩効果と表面電荷スクリーニングのバランスに依存しており、DLVO理論ではなく可逆的凝集が最も適切に説明でき、この二重メカニズムを組み込んだモデルにより、理論と実験の間に良好な一致が得られた。

ABSTRACT

Theoretical calculations of the mixed aggregation/coalescence (kFC) rate corresponding to a set of hexadecane-in-water nano-emulsions stabilized with sodium dodecyl sulphate (SDS) at different NaCl concentrations are presented. The rates were obtained through the change of the total number of aggregates of the dispersions as a function of time, predicted by Emulsion Stability Simulation (ESS). Two different models were implemented in order to mimic the dependence of the surface excess of the surfactant on the salt concentration. Experimental measurements of kFC were also made, based on the change of the turbidity of the emulsions as a function of time. A satisfactory agreement between theory and experiment is only attained if the model of surfactant adsorption accounts for the balance between the salting out of the surfactant solution and the partial screening of the surface charge of the drops induced by the increase of the ionic strength of the continuous phase. The observed behavior cannot be justified on the grounds of the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory. Instead, the reversible flocculation of the aggregates of any size is proposed as an alternative mechanism to explain the dependence of kFC as a function of the salt concentration.

研究の動機と目的

• SDSで安定化されたイオン性ナノエマルジョンの塩濃度依存性凝集挙動を理解すること。
• 古典的DLVO理論と実験的凝集／凝集速度定数（kFC）観測値との乖離を解明すること。
• イオン強度の変化を考慮した条件下で界面活性剤吸着および表面電荷効果を組み込んだkFCの理論的モデルを構築すること。
• 時間経過に伴う濁度変化の測定を通じて理論的モデルを実験的に検証すること。
• kFCがNaCl濃度に依存する主因を特定すること。

提案手法

• 理論的kFCは、エマルジョン安定性シミュレーション（ESS）を用いて計算され、凝集体数の時間的変化をモデル化した。
• NaCl濃度に応じた界面活性剤表面過剰量を反映する二種類の異なるモデルを導入し、塩効果と電荷スクリーニング効果を再現した。
• 実験的kFCは、時間経過に伴う濁度モニタリングにより測定され、凝集の直接的動力学的指標が得られた。
• 理論的予測と実験データを比較することで、モデルの正確性を評価した。
• 凝集体の全サイズ範囲における可逆的凝集体形成を主要メカニズムとしてモデルに組み込み、改良を加えた。
• 理論的および実験的kFC値を、さまざまなNaCl濃度で相関させ、メカニズムの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NaClを用いたイオン強度の上昇が、SDSで安定化されたヘキサデカン水系ナノエマルジョンにおける混合凝集／凝集速度定数（kFC）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 この系において、実験的kFC値がDLVO理論に基づく予測と乖離する理由は何か？
• RQ3 界面活性剤の塩効果が、表面過剰量および凝集キネティクスに果たす役割は何か？
• RQ4 イオン強度の上昇に伴い、ドロイド表面電荷の部分的スクリーニングがkFCに与える影響は何か？
• RQ5 可逆的凝集体形成メカニズムが、DLVO理論に比べて観察されたkFCの塩濃度依存性をよりよく説明できるか？

主な発見

• 理論的および実験的kFC値が良好に一致するのは、界面活性剤の塩効果と表面電荷スクリーニングの両方をモデルに組み込んだ場合に限る。
• 観察されたkFCのNaCl濃度依存性は、DLVO理論のみでは説明できない。
• 全サイズ範囲の凝集体の可逆的凝集が、実験的傾向を説明する支配的メカニズムであると特定された。
• 塩効果と電荷スクリーニング効果の両方を含むモデルが、実験的濁度減衰キネティクスを最もよく再現した。
• 本研究では、界面活性剤の表面過剰量が電気的要因にのみ支配されているのではなく、高イオン強度下で塩効果の影響が顕著であることが示された。
• 理論と実験の一致により、kFCの正確な予測に不可欠な二重メカニズムが有効であることが裏付けられた。