Design of a functional composite membrane via particle stabilized emulsion templating

Abstract

Fonksiyonel malzemeleri mikro-kapsülleme tekniği, değerli veya aşındırıcı malzemelerin kontrollü dağıtımı için ilgi çekici bir tekniktir. Emülsiyon bünyesindeki iç fazda dağılmış damlacıkların malzeme taşıyan fonksiyonel kapsüllere dönüştürüldüğü emülsiyon kalıplama tekniği yaygın olarak bilinmektedir. Damlacıkları içine karışmadıkları kesintisiz fazla dengeleme zorluğu katı parçacık ile stabilizasyon yöntemi ile aşılabilir. Bu yöntemin Pickering emülsiyonu olarak da adı anılmaktadır. Parçacıkların iki faz tarafından kısmi ıslatılması, damlacık çevresindeki sıvı-sıvı ara-yüzeyde öz-toplanma gerçekleştirmesine yol açar. Ortaya çıkan kolloid sistem kontrollü geçirgenlik, mekanik kuvvet ve viskoelastik özellik sağlar. Bu çalışmada, parçacık stabilizasyonu ve emülsiyon kalıplaması kullanılarak, su içeren mikron büyüklükteki damlacıklar buz çözücü malzemeyle yüklenip hidrofobik SBS (Stiren-sütadiyen-stiren) kopolimer ortamına gömülmüştür. Kısmi hidrofobik silika nano-parçacıklardan faydalanılmıştır. Su içeren iç fazın jelleştirilmesinin stabiliteye ve buz çözücü malzemenin kontrollü salımına etkisi incelenmiştir. Temsili bir jel olarak agaroz jel kullanılmıştır. Stabilize edilmiş emülsiyon bir zar oluşturacak şekilde kurutularak kalıplanmıştır. SBS kompozit zar mikro-yapı ve yüzeydeki suyun kontak açısı özellikleri bakımından karakterize edilmiştir. Reolojik çalışmalar fonksiyonel parçacık kafeslerinin ve parçacık miktarının mekanik özellikleri kuvvetlendirdiğini göstermiştir. SBS polimerinin hidrofobik ve termoplastik yapısı geliştirilen kompozit malzemenin bitüm gibi diğer apolar ortamlara entegre edilebileceğini gösterir niteliktedir. Bu sayede buz çözücü polar malzemelerin normal şartlarda uyumlu olmadığı ortamlara katımı ve fonksiyonel salımı gerçekleşebilir.

Encapsulation of functional agents within micro-capsules is an attractive technique for controlled delivery where the delivered material is either valuable or corrosive. Emulsion templates are well known to be used for this purpose where the dispersed spherical droplets include functional capsules upon being loaded with functional agents. The challenge of stabilizing immiscible droplets in continuous medium was addressed by particle-stabilized emulsion system, widely known as Pickering emulsions. Partial wetting of the solid particles by the two immiscible liquids leads to self assembly of particles at the liquid- liquid interface during emulsification, providing more stable water-in-oil emulsions compared to the emulsions prepared by known surfactants. The resultant colloid system demonstrated enhanced mechanical strength and viscoelastic behavior. The technique introduced here involves incorporation of micron-sized aqueous phase consisting of functional anti-icing agents into hydrophobic SBS (Styrene-Butadiene-Styrene) copolymer medium and stabilization of the mixture with slightly hydrophobic nanoparticles using emulsion templating method. Partially hydrophobic silica nanoparticles are used to form Pickering emulsion. Gelation of the aqueous dispersed phase is further investigated for additional stability and enhanced control for the release of the anti-acing agent. Aqueous agarose solution is used as a representative gel structure, and the stable emulsion is casted as a membrane upon drying. The membrane is characterized with respect to microstructure and surface water contact angle (WCA). Rheological studies demonstrated that nanoparticle shells around functional beads enhance mechanical strength. The hydrophobicity and thermoplastic nature of SBS polymer allows for incorporation of the composite into other mediums such as bitumen, thus opens possibility to functional delivery of anti-icing agents through mediums which would otherwise not be compatible with polar agents.