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Thermoresponsive colloidal stability of core-shell nanoparticles with self-assembled ionic surfactant shells [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas Dederichs

De
155 pages
“Thermoresponsive colloidal stability of core-shell nanoparticles with self-assembled ionic surfactant shells” Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Chemiker Thomas Dederichs aus Eschweiler Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Martin Möller Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Walter Richtering Tag der mündlichen Prüfung: 19.11.2009 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. „Man darf nie an die ganze Straße auf einmal denken, verstehst du? Man muss nur an den nächsten Schritt denken, an den nächsten Atemzug, an den nächsten Besenstrich. Und immer wieder nur an den nächsten. [...] Auf einmal merkt man, dass man Schritt für Schritt die ganze Straße gemacht hat. Man hat gar nicht gemerkt wie, und man ist nicht außer Puste.“ Straßenkehrer Beppo aus Michael Ende "Momo" (c) Thienemann Verlag 3 Danksagung Danksagung Herrn Prof. Dr. Martin Möller danke ich für die Möglichkeit der Durchführung der Doktorarbeit an seinem Institut, die interessante Themenstellung, seine Diskussions-bereitschaft und seine wissenschaftliche Unterstützung. Herrn Prof. Dr. Walter Richtering danke ich für die freundliche Übernahme des Korreferats.
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“Thermoresponsive colloidal stability of core-shell nanoparticles
with self-assembled ionic surfactant shells”

Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Diplom-Chemiker
Thomas Dederichs

aus Eschweiler



Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Martin Möller
Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Walter Richtering

Tag der mündlichen Prüfung: 19.11.2009


Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfügbar.


























„Man darf nie an die ganze Straße auf einmal denken, verstehst du? Man muss nur an den
nächsten Schritt denken, an den nächsten Atemzug, an den nächsten Besenstrich. Und immer
wieder nur an den nächsten. [...]
Auf einmal merkt man, dass man Schritt für Schritt die ganze Straße gemacht hat. Man hat
gar nicht gemerkt wie, und man ist nicht außer Puste.“

Straßenkehrer Beppo aus Michael Ende "Momo" (c) Thienemann Verlag


3 Danksagung

Danksagung

Herrn Prof. Dr. Martin Möller danke ich für die Möglichkeit der Durchführung der
Doktorarbeit an seinem Institut, die interessante Themenstellung, seine Diskussions-
bereitschaft und seine wissenschaftliche Unterstützung.
Herrn Prof. Dr. Walter Richtering danke ich für die freundliche Übernahme des
Korreferats.
Herrn Dr. Oliver Weichold danke ich für die sehr gute Betreuung während der
gesamten Doktorarbeit. Ich bin ihm für seine stete Diskussions- und Hilfsbereitschaft sowie
für die Durchsicht des Manuskriptes zu großen Dank verpflichtet.
I thank Dr. Rostislaw Vinokur for the design of the pressurised steel vessel and his
excellent support in conducting the turbidity measurements in the ITMC Technikum.
Meinen Forschungsstudenten Frau Annika Hämäläinen, Herrn David Türp und Frau
Anne Buchkremer danke ich für Ihr großes Engagement, das entscheidend zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen hat.
Herrn Wilfried Steffens und Herrn Franz-Josef Steffens danke ich für zuverlässige
Schlosserarbeiten an Bauteilen des Druckbehälters.
Herrn Stephan Rütten danke ich für die Mithilfe bei der Aufnahme der FESEM-Bilder.
Der mechanischen Werkstatt des Instituts für Technische und Makromolekulare
Chemie der RWTH Aachen danke ich für den Bau des Druckbehälters.
Den aktuellen und ehemaligen AKW-Mitgliedern Britta, Franz, Juliana, Markus,
Pooja, Shou-Chian, Stephi und Vanessa danke ich für eine sehr gute Zusammenarbeit im
Labor und für viele nette wissenschaftliche und vor allem nicht-wissenschaftliche
Plaudereien.
Allen MitarbeiterInnen des DWIs und der TexMC danke ich für eine paar sehr
angenehme Arbeitsjahre am Veltmanplatz und in Melaten.
Ein besonderer Dank gilt meinen lieben Eltern, die mir das Studium der Chemie
ermöglichten und mich dann während der Doktorarbeit immer unterstützt haben. Meinem
Vater bin ich für die Durchsicht des Manuskriptes überaus dankbar.

5
Parts of this thesis are published, submitted or in preparation to be published or presented at
conferences:

Articles: The dispersion-stability diagram of boehmite nanoparticles in aqueous
AOT solutions, O. Weichold, T. Dederichs, M. Möller, J. Colloid
Interface Sci. 2007, 306, 300–306.

The colloidal stability of hydrophobic nanoparticles in ionic surfactant
solutions: definition of the critical dispersion concentration, T.
Dederichs, M. Möller, O. Weichold, Langmuir 2009, 25, 2007–2012.

Temperature-dependent colloidal stability of hydrophobic
nanoparticles caused by surfactant adsorption/desorption and depletion
flocculation, T. Dederichs, M. Möller, O. Weichold, Langmuir 2009,
25, 10501–10506.

Influence of surfactant chain length on high temperature surfactant
desorption induced dispersion breakdown, T. Dederichs, O. Weichold,
J. Colloid Interface Sci., in preparation.

Impact of nanoparticle concentration on the high-temperature
dispersion breakdown of surfactant coated nanoparticles, O. Weichold,
T. Dederichs, M. Möller, J. Colloid Interface Sci., in preparation.

Posters: The influence of particle and surfactant concentration on the dispersion
stability of AOT-coated boehmite-nanoparticles, T. Dederichs, O.
Weichold, M. Möller, Dechema Chemical Nanotechnology Talks VI,
Frankfurt, September 2005.

Thermoresponsive colloidal stability of nanoparticles stabilised with
ionic surfactants in water, T. Dederichs, A. Hämäläinen, D. Türp, A.
Buchkremer, R. Vinokur, O. Weichold, M. Möller, Synthetic Fiber
Talks, Vaals, The Netherlands, May 2007.

7
Thermoresponsive core-shell nanoparticles with self-assembled ionic
surfactants shells, T. Dederichs, O. Weichold, M. Möller, 21th
Conference of the European Colloid and Interface Society, Geneva,
Switzerland, September 2007.

Thermoresponsive colloidal stability of hydrophobic nanoparticles
stabilised with alkyltrimethylammonium bromides in water, T.
Dederichs, O. Weichold, M. Möller, International Soft Matter
Conference, Aachen, October 2007.


8 Contents

Thermoresponsive colloidal stability of core-shell nanoparticles
with self-assembled ionic surfactant shells


List of abbreviations............................................................................................................... 11
Summary ................................................................................................................................. 13
Zusammenfassung.................................................................................................................. 17
Chapter 1: Introduction .................................................................................................... 21
1.1 Disperse systems and stabilising mechanisms ......................................................... 21
1.2 Surfactants................................................................................................................ 28
1.3 Surfactant adsorption at solid-liquid interfaces........................................................ 33
1.4 Surfactant adsorption on dispersed particles: Influences on the colloidal stability . 36
1.5 Objectives and contents of this thesis ...................................................................... 38
1.6 References and Notes ............................................................................................... 40
Chapter 2: The dispersion-stability diagram of boehmite nanoparticles in aqueous
AOT solutions ......................................................................................................................... 43
2.1 Introduction .............................................................................................................. 43
2.2 Materials and Methods ............................................................................................. 44
2.3 Results and Discussion............................................................................................. 45
2.4 Conclusions .............................................................................................................. 55
2.5 Appendix: Nomenclature ......................................................................................... 56
2.6 References and Notes ............................................................................................... 57
Chapter 3: The colloidal stability of hydrophobic nanoparticles in ionic surfactant
solutions: definition of the critical dispersion concentration ............................................. 59
3.1 Introduction .............................................................................................................. 59
3.2 Materials and Methods ............................................................................................. 60
3.3 Results and Discussion............................................................................................. 61
3.4 Conclusions .............................................................................................................. 72
3.5 Appendix .................................................................................................................. 73
3.6 References and Notes ............................................................................................... 86
Chapter 4: Temperature-dependent colloidal stability of hydrophobic nanoparticles
caused by surfactant adsorption/desorption and depletion flocculation........................... 89
9 Contents
4.1 Introduction .............................................................................................................. 89
4.2 Materials and Methods ............................................................................................. 90
4.3 Results and Discussion............................................................................................. 91
4.4 Conclusions .............................................................................................................. 99
4.5 References and Notes ............................................................................................. 100
Chapter 5: Influence of surfactant chain length on the high-temperature surfactant
desorption induced dispersion breakdown ........................................................................ 103
5.1 Introduction ............................................................................................................ 103
5.2 Materials and Methods ........................................................................................... 104
5.3 Results and Discussion........................................................................................... 105
5.4 Conclusions ............................................................................................................ 114
5.5 Appendix ................................................................................................................ 115
5.6 References and Notes ............................................................................................. 123
Chapter 6: Impact of nanoparticle concentration on the high-temperature dispersion
breakdown of surfactant coated nanoparticles ................................................................. 125
6.1 Introduction ............................................................................................................ 125
6.2 Materials and Methods ........................................................................................... 127
6.3 Results and Discussion........................................................................................... 128
6.4 Conclusions ............................................................................................................ 139
6.5 Appendix ................................................................................................................ 140
6.6 References and Notes ............................................................................................. 153



10

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