Marangoni Transport Synergism in Mixed Surfactant Systems

混合表面活性剂体系中的马兰戈尼传输协同作用

基本信息

  • 批准号:
    1705432
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35.31万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Surfactants are compounds that lower the surface tension between two phases (for example, oil and water) and are important for a range of complex fluid products, such as laundry detergents, flooding fluids for enhanced oil recovery, and many food, pharmaceutical and consumer products. Fluid flows driven by gradients in surface tension are called "Marangoni flows" and have been well-studied in systems containing a single surfactant. However, industrially important products typically contain mixtures of surfactants. This research project considers how surfactant mixtures may produce strong cooperative or synergistic effects on these Marangoni flows. Experiments to measure these flows and the effects of the surfactants on the interfaces are being performed and compared to theories modified for these multi-component systems. While building on existing knowledge and methods, this research expands into fundamentally interesting and commercially important areas. Understanding the interactions between surfactants is a potentially powerful aid to product formulation across a host of industries. STEM human resource infrastructure is benefitting from the research training of graduate and undergraduate students. Additionally, middle school students are being mentored through the Carnegie Mellon University Physics Concepts Outreach Program in a project in which student-designed experiments reveal interfacial engineering concepts underlying liquid commercial product formulations.Marangoni synergism is the creation of stronger Marangoni transport in the presence of two surfactants than is obtained from either of the two on their own, at the same interfacial tension. This synergism results from the coupled effects of thermodynamics, diffusion, flow conditions, and kinetic rate constants on Marangoni transport. This research project demonstrates this synergism and identifies the conditions that produce it. Experiments are focusing on two-component surfactants in aqueous solutions flowing past a pure oil layer and single-surfactant aqueous solutions flowing past a surfactant-containing oil film. Transient interfacial velocities are being measured as the bulk composition is changed to drive the system out of equilibrium. These transport experiments are being complemented by equilibrium interfacial tension measurements and theoretical transport modeling to identify the influence of dynamic parameters on surfactant compositions that yield Marangoni synergism. The knowledge generated by this research fills a significant knowledge gap in the literature and enables new interfacial approaches for complex fluid formulation.
表面活性剂是降低两相(例如油和水)之间表面张力的化合物,对于一系列复杂的流体产品非常重要,例如洗衣粉、用于提高石油采收率的驱油液以及许多食品、药品和消费品。由表面张力梯度驱动的流体流动被称为“马兰戈尼流动”,并且已经在包含单一表面活性剂的系统中得到了充分研究。然而,工业上重要的产品通常含有表面活性剂的混合物。该研究项目考虑表面活性剂混合物如何对这些马兰戈尼流产生强大的协同或协同效应。正在进行测量这些流动以及表面活性剂对界面的影响的实验,并将其与针对这些多组分系统修改的理论进行比较。在建立现有知识和方法的同时,这项研究扩展到了根本上有趣且具有商业重要性的领域。了解表面活性剂之间的相互作用对于许多行业的产品配方具有潜在的强大帮助。 STEM 人力资源基础设施受益于研究生和本科生的研究培训。 此外,中学生正在通过卡内基梅隆大学物理概念外展计划的一个项目进行指导,在该项目中,学生设计的实验揭示了液体商业产品配方背后的界面工程概念。马兰戈尼协同作用是在两种物质存在的情况下创造更强的马兰戈尼运输在相同的界面张力下,表面活性剂比从两者单独获得的表面活性剂要好。这种协同作用是热力学、扩散、流动条件和动力学速率常数对马兰戈尼输运的耦合效应的结果。该研究项目展示了这种协同作用并确定了产生这种协同作用的条件。实验重点是流过纯油层的双组分表面活性剂水溶液和流过含表面活性剂油膜的单表面活性剂水溶液。当主体成分发生变化导致系统失去平衡时,测量瞬态界面速度。这些传输实验得到平衡界面张力测量和理论传输模型的补充,以确定动态参数对产生马兰戈尼协同作用的表面活性剂组合物的影响。这项研究产生的知识填补了文献中的一个重大知识空白,并为复杂流体配方提供了新的界面方法。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Interfacial dilatational rheology as a bridge to connect amphiphilic heterografted bottlebrush copolymer architecture to emulsifying efficiency
界面膨胀流变学作为连接两亲异质接枝瓶刷共聚物结构与乳化效率的桥梁
  • DOI:
    10.1016/j.jcis.2020.07.063
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Hsieh, Tsung;Martinez, Michael R.;Garoff, Stephen;Matyjaszewski, Krzysztof;Tilton, Robert D.
  • 通讯作者:
    Tilton, Robert D.
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  • DOI:
    10.1021/acs.langmuir.1c01889
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Hsieh, Tsung;Law, Stephen;Garoff, Stephen;Tilton, Robert D.
  • 通讯作者:
    Tilton, Robert D.
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  • 资助金额:
    $ 35.31万
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