The Surface Charge of Soft and Hard Sphere Colloidal Particles - Experimental Investigation and Comparison to Theory [Elektronische Ressource] / Christian Schneider. Betreuer: Matthias Ballauff

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The Surface Charge of Soft and HardSphere Colloidal Particles-Experimental Investigation andComparison to TheoryDissertationZur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)im Fach Chemie der Fakultät für Biologie, Chemie undGeo derUniversität Bayreuthvorgelegt vonChristian SchneiderGeboren in Coburg / DeutschlandBayreuth, 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Mai 2007 bis November 2010 in Bayreutham Lehrstuhl Physikalische Chemie I und am Helmholtz-Zentrum Berlin unterBetreuung von Herrn Prof. Dr. Matthias Ballauff angefertigt.Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaftender Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung des akademischenGrades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.).Dissertation eingereicht am: 17. November 2010Zulassung durch die Prüfungskomission: 13. Januar 2011Wissenschaftliches Kolloquium: 27. Mai 2011Amtierender Dekan:Prof. Dr. Stephan ClemensPrüfungsausschuss:Prof. Dr. Matthias Ballauff (Erstgutachter)Prof. Dr. Andreas FeryProf. Dr. Mukundan Thelakkat (Vorsitz)Prof. Dr. Josef BreuA es wi&ens aftli e Ar iten i< ni ts an res,als immer neuen Sto in a gemeine Gese>e zu bringen.Wil lm von Hum ldtHorst.GelaHans,GroÿundelternMeinenLidy,Table of Contents1. Introduction 11.1. The DLVO Theory and Particle Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1. Electric Double Layer Interaction . .
Publié le : samedi 1 janvier 2011
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The Surface Charge of Soft and Hard
Sphere Colloidal Particles
-
Experimental Investigation and
Comparison to Theory
Dissertation
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
im Fach Chemie der Fakultät für Biologie, Chemie und
Geo der
Universität Bayreuth
vorgelegt von
Christian Schneider
Geboren in Coburg / Deutschland
Bayreuth, 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Mai 2007 bis November 2010 in Bayreuth
am Lehrstuhl Physikalische Chemie I und am Helmholtz-Zentrum Berlin unter
Betreuung von Herrn Prof. Dr. Matthias Ballauff angefertigt.
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
der Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung des akademischen
Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.).
Dissertation eingereicht am: 17. November 2010
Zulassung durch die Prüfungskomission: 13. Januar 2011
Wissenschaftliches Kolloquium: 27. Mai 2011
Amtierender Dekan:
Prof. Dr. Stephan Clemens
Prüfungsausschuss:
Prof. Dr. Matthias Ballauff (Erstgutachter)
Prof. Dr. Andreas Fery
Prof. Dr. Mukundan Thelakkat (Vorsitz)
Prof. Dr. Josef BreuA es wi&ens aftli e Ar iten i< ni ts an res,
als immer neuen Sto in a gemeine Gese>e zu bringen.
Wil lm von Hum ldtHans,MeinenundGro?GelaelternHorst.Lidy,Table of Contents
1. Introduction 1
1.1. The DLVO Theory and Particle Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Electric Double Layer Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. Van der Waals Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3. The DLVO Interaction Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4. Stability of Colloid Dispersions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Counterion Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Spherical Polyelectrolyte Brushes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4. Stability Measurements of SPB Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5. Electrophoretic Mobility Measurements and ζ Potential . . . . . . . . . . . 13
1.6. Force Measurements - a Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7. Objective of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.8. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2. Overview 23
2.1. Interaction of Colloidal Particles: the DLVO Potential and Charge Inversion 24
2.2. Microsurface Potential Measurements: Repulsive Forces between Polyelec-
trolyte Brushes in the Presence of Multivalent Counterions . . . . . . . . . 26
2.3. Investigation of the Stability Behavior of Anionic Spherical Polyelectrolyte
Brushes in the Presence of La(III) Counterions . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4. Individual Contributions to Joint Publications . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3. Interaction of Colloidal Particles: the DLVO Potential and Charge Inversion 33
3.1. Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3. Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1. Coagulation rate and surface potential . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2. Charge densities and potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4. Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2. Electrophoretic mobility and ζ potential. . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3. Coagulation rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5. Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.1. Electrophoretic mobility measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.2. Microsurface potentialts . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
ITable of Contents
3.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7. Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.8. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4. Microsurface Potential Measurements: Repulsive Forces between Polyelec-
trolyte Brushes in the Presence of Multivalent Counterions 49
4.1. Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3. Experimental Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4. Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.1. Stability Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.2. Repulsive Force and Effective Surface Charge . . . . . . . . . . . . 57
4.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6. Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5. Investigation of the Stability Behavior of Anionic Spherical Polyelectrolyte
Brushes in the Presence of La(III) Counterions 61
5.1. Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3. Experimental Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.1. Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.2. Simultaneous Static and Dynamic Light Scattering . . . . . . . . . 69
5.4. Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.1. Coagulation Kinetics of SPBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.2. Mean-field Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5. Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5.1. Relative Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5.2. Stability Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.3. Force Balance: Repulsive Energy and Effective Surface Charge . . . 79
5.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.7. Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.8. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6. Summary / Zusammenfassung 85
A. List of Publications 89
A.1. Publication of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.2. as a co-Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
B. Presentations at International Conferences and Meetings 90
C. Abbreviations 91
D. Danksagung 93
II

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