Dielectric relaxation spectroscopy of ionic micelles and microemulsions

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	22 October 2003
Referee:	Werner (Prof. Dr.) Kunz
Date of exam:	5 December 2002
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz
Keywords:	Dielektrische Relaxation , Micelle , Mikroemulsion , Gegenion , Wasser-in-Öl-Emulsion , Leitfähigkeit , Natriumdodecylsulfat , Pentanole , , Dielectric relaxation spectroscopy , micelles , microemulsions , counterions , bulk water , bound water , conductivity , sodium dodecyl sulfate
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10130

Abstract (English)

Microemulsions represent systems consisting of water, oil and amphiphiles(s). They are single-phase and thermodynamically stable isotropic solutions that find numerous commercial applications with high economic impact. The term microemulsion encompasses diverse structural organizations that are water or oil droplets (spherical or elongated) dispersed in either oil (namely water-in-oil or W/O) or ...

Abstract (English)

Microemulsions represent systems consisting of water, oil and amphiphiles(s). They are single-phase and thermodynamically stable isotropic solutions that find numerous commercial applications with high economic impact. The term microemulsion encompasses diverse structural organizations that are water or oil droplets (spherical or elongated) dispersed in either oil (namely water-in-oil or W/O) or water (oil-in-water or O/W) with sizes lower than 0.1 mm. With equivalent volumes of oil and water, bicontinuous microemulsions may exist. Dielectric relaxation spectroscopy (DRS) is known to be sensitive to all kinds of dipole moments fluctuations in the pico- and nanosecond time range which result from the reorientation of water molecules and ion pairs and from the motions of free and bound counterions surrounding the charged micelles. The present work deals with a DRS study of sodium dodecyl sulfate (SDS) micelles in water, SDS/1-pentanol mixed micelles, SDS/1-pentanol bicontinuous structures, SDS/1-pentanol reverse mixed micelles, and W/O microemulsions produced by a final addition of n-dodecane. During this work, the different structural transitions were evidenced by conductivity measurements. DRS relaxation processes related to free (bulk) and bound water (high frequency relaxation processes), and to free and bound counterions (low-frequency relaxation processes) were found to undergo strong changes during those structural transitions (for example during percolation in microemulsions). However, it could be argued that the DRS relaxation processes of ionic micelles are of the same nature as those found for ionic W/O emulsions. Therefore DRS may be regarded as a valuable technique for microemulsions investigation.

Translation of the abstract (German)

Mikroemulsionen sind aus Wasser, Öl und Tensid(en) bestehende Systeme, die einphasige und thermodynamisch stabile klare Lösungen bilden. Sie finden ihr Nutzen in vielen wichtigen industriellen Bereichen. Als Mikroemulsionen können verschiedene Strukturen bezeichnet werden, die sich als Wasser- oder Öltröpfchen dispergiert in Öl (Wasser-in-Öl oder W/O) oder Wasser (Öl-in-Wasser oder O/W) ...

Translation of the abstract (German)

Mikroemulsionen sind aus Wasser, Öl und Tensid(en) bestehende Systeme, die einphasige und thermodynamisch stabile klare Lösungen bilden. Sie finden ihr Nutzen in vielen wichtigen industriellen Bereichen. Als Mikroemulsionen können verschiedene Strukturen bezeichnet werden, die sich als Wasser- oder Öltröpfchen dispergiert in Öl (Wasser-in-Öl oder W/O) oder Wasser (Öl-in-Wasser oder O/W) beschreiben lassen, deren Größe kleiner als 0.1 µm ist. Diese "Tröpfchen" können eine kugelförmige oder längliche Form erweisen. Bei äquivalenten Volumen von Wasser und Öl kann es auch zur Bildung von bikontinuierlichen Strukturen kommen.
Dielektrische Relaxationsspektroskopie (DRS) ist eine Technik, die Fluktuationen des permanenten Dipolmoments in dem Bereich von Pico- und Nanosekunden registrieren kann. Sowohl durch die Reorientierung der Ionenpaare, oder der Wassermoleküle, als auch durch die Bewegungen der freien oder gebundenen Gegenionen, die geladene Mizellen umgeben, können solche Fluktuationen verursacht werden. In dieser Arbeit wurden folgende Systeme vermessen: Natrium Dodecylsulfat (SDS) Mizellen im Wasser, gemischte Mizellen von SDS/1-Pentanol, bikontinuierliche Strukturen von SDS/1-Pentanol, umgekehrte gemischte Mizellen von SDS/1-Pentanol und W/O Mikroemulsionen, die durch Zusatz von n-Dodekan hergestellt wurden. All diese verschiedenen strukturellen Übergänge wurden auch mit Hilfe der Leitfähigkeitsmessungen offengelegt. Die dielektrischen Relaxationsprozesse im Bezug zu freiem und gebundenem Wasser (Hochfrequenz-Relaxationsprozesse), und zu freien und gebundenen Gegenionen (Niederfrequenz-Relaxationsprozesse) zeigten starke Veränderungen bei den strukturellen Übergängen, z. B. der Perkolationschwelle.
Es war uns möglich zu zeigen, dass die DRS Relaxationsprozesse in ionischen Mizellen der gleichen Natur sind wie in ionischen W/O Mikroemulsionen. Aus diesem Grund kann die DRS als eine aussagekräftige Technik für das Studium von Mikroemulsionen betrachtet werden.

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