Wax anti-settling additives (WASA) are used to mitigate against the problems caused by the settling of n-alkane wax crystals, which crystallise from petroleum diesel. This can result in the blocking of fuel filters and hence vehicle failure. However, the mode of action for such additives is not currently known and two mechanisms have been proposed: they reduce the wax crystal size to such an extent that they settle very slowly; or they induce gelation in the wax suspension. This project aims to elucidate the mechanism of WASA within the diesel system. A room temperature crystallising model diesel (10 wt% n-alkanes in dodecane) has been developed. This model system has given a good response to the additives, with the wax crystals reduced in size, and is hence suitable for mechanistic studies. Differential scanning calorimetry and infra-red spectroscopy both suggest that the WASA is incorporated in or onto the wax crystal. DSC shows that small amounts of WASA suppress the wax crystallisation temperature and change the shape of the heat flow curve. FT-IR shows the WASA amide stretch present within filtered and dried wax crystals. Intriguingly, electrophoresis experiments show that the WASA imparts a positive charge to the wax crystals, suggesting an electrostatic role in the WASA action. Rheological experiments show the presence of a weak gel in the WASA doped model diesel. However, the gel strength is not altered by the presence of an organic salt and thus cannot be purely electrostatic in origin. Small angle neutron scattering has been conducted to help locate the WASA in the system. It has shown that in solution WASA shows a collapsed polymer coil structure with a single molecule occupying a 28 Å diameter sphere and multiple WASA molecules forming a 2400 Å diameter sphere. In the presence of the wax the WASA scatter does not significantly change suggesting that the WASA is on the surface of the wax crystal. By combining these results, a mechanism of WASA action is proposed as WASA cations interactions bridging between the wax crystals causing a weak bridging flocculation gel with electrostatic and steric effects contributing to stabilisation. The WASA charges are partially dissociated thus giving the electrophoretic effect and the long chains on the cations can contribute to stability via steric stabilisation.

Le confinement de la matière condensée dans un milieu nanoporeux peut induire à l'échelle nanométrique des changements structurels ou dynamiques drastiques qui conduisent finalement aux propriétés originales. Le confinement des polyélectrolytes, qui sont des polymères porteurs d'une charge électrique, présente un intérêt particulier. Dans ce projet, des membranes d'alumine nanoporeuse auto-ordonnée (nPAAMs), dont les paramètres structuraux sont réglés par la synthèse, ont été choisies comme milieu de confinement et des approches expérimentales ont été proposées pour étudier le confinement d'un polyélectrolyte fort (PE), polystyrène-sulfonate de sodium. Une partie importante de ce travail a été consacrée à la caractérisation des charges structurales et superficielles des nPAAMs. La structure et la composition du nPAAM sont caractérisées par la combinaison de la microscopie électronique à balayage et de la diffusion neutronique à petit angle (SANS). Une stratégie détaillée est proposée pour mesurer les nPAAM dans des conditions optimales en raison de leur forme anisotrope et de leur pouvoir de diffusion élevé ainsi que des informations sur leur composition chimique. La charge superficielle de la membrane a été déterminée par des mesures de potentiel d’écoulement. La charge de la paroi du pore peut être ajustée à une charge positive ou négative et l'étendue des interactions électrostatiques peut être ajustée, ce qui permet d'adapter le milieu aux études de confinement électrostatique. Le comportement de perméation et l'adsorption du polyélectrolyte à l'intérieur des pores sont étudiés par SANS en combinaison avec des mesures de perméabilité. La cinétique de l'adsorption est obtenue par le potentiel d’écoulement et la possibilité d'utiliser la réflectivité neutronique pour ces études est proposée. Ce travail fournit des approches expérimentales sur la caractérisation de l'PE en milieu confiné. / The confinement of condensed matter in nanoporous medium can induce at the nanoscale drastic structural or dynamical changes that ultimately lead to original properties. Of a specific interest is the confinement of polyelectrolytes that are polymers carrying an electrical charge. In this project, self-ordered nanoporous alumina membranes (nPAAMs), whose structural parameters are tuned through the synthesis, have been chosen as a confining medium and experimental approaches have been proposed to study the confinement of a strong polyelectrolyte (PE), sodium polystyrene-sulfonate . An important part of this work has been devoted to the structural and surface charge characterization of nPAAMs. The nPAAM’s structure and composition are characterized by combining scanning electron microscopy and small angle neutron scattering (SANS). A detail strategy is proposed for measuring the nPAAMs under optimal conditions due to their anisotropic shape and high scattering power and information on their chemical composition. The membrane’s surface charge has been determined by streaming potential measurements. The pore’s wall charge can be adjusted to positive or negative charge and the extent of the electrostatic interactions can be tuned, tailoring the medium for electrostatic confinement studies. The permeation behavior and the adsorption of the polyelectrolyte inside the pores is studied by SANS combined with flow measurements. The kinetics of the adsorption is accessed by streaming potential and the possibility to use of neutron reflectivity for such studies is proposed. This work provides experimental approaches insight into the characterization of PE under confinement.

Gegenstand des Vorhabens im Rahmen der WTZ mit Russland ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters infolge der Strahlenbelastung mit schnellen Neutronen im kernnahen Bereich. Um den Einfluss von bestrahlungsinduzierten Gitterdefekten auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden analytische Berechnungen zum Einfluss von Hindernissen auf die Beweglichkeit von Versetzungen und damit auf die Ausbildung einer plastischen Zone an der Rissspitze durchgeführt. Es wird demonstriert, dass sich die an der Rissspitze entstehenden Versetzungen an dem Hindernis (bestrahlungsinduzierte Punktdefekte) aufstauen. In Abhängigkeit der Rissbelastung KI und der Entfernung des Hindernisses von der Rissspitze werden die Versetzungsdichte und das durch den Versetzungsstau verursachte Spannungsfeld berechnet. Mit Hilfe von Experimenten zur Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS - small angle neutron scattering) an verschiedenen WWER-Stählen und Modelllegierungen wurden Größenverteilungen und die Volumenanteile der strahleninduzierten Defekte für verschiedene Bestrahlungszustände (Fluenzen, Bestrahlungstemperaturen) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass sich die strahleninduzierte Werkstoffschädigung durch Wärmebehandlung weitgehend wieder ausheilen lässt. Nach der thermischen Ausheilung ist der Werkstoff bei erneuter Bestrahlung weniger anfällig für strahleninduzierte Defekte. Die Ergebnisse der SANS-Untersuchungen wurden mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Streckgrenze und Sprödbruchübergangstemperatur) korreliert. Mit der kinetischen Gitter-Monte-Carlo-Methode wurden numerische Sensitivitätsstudien zum Einfluss des Cu-Gehalts auf die Stabilität von Defekt-Clustern durchgeführt. Die Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Atomen zur Bildung von langlebigen Defekten führt. Dabei werden Leerstellen in Cu/Leerstellen-Cluster eingefangen. Leerstellen in reinem Eisen sind bei Bestrahlungstemperaturen von 270 °C dagegen nicht stabil, die Lebensdauer liegt zwischen 0.01 s und 1 s. Die kritische Cu-Konzentration, ab welcher stabile Defekte entstehen, beträgt ca. 0.1 Masseprozent.

Gegenstand des Vorhabens im Rahmen der WTZ mit Russland ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters infolge der Strahlenbelastung mit schnellen Neutronen im kernnahen Bereich. Um den Einfluss von bestrahlungsinduzierten Gitterdefekten auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden analytische Berechnungen zum Einfluss von Hindernissen auf die Beweglichkeit von Versetzungen und damit auf die Ausbildung einer plastischen Zone an der Rissspitze durchgeführt. Es wird demonstriert, dass sich die an der Rissspitze entstehenden Versetzungen an dem Hindernis (bestrahlungsinduzierte Punktdefekte) aufstauen. In Abhängigkeit der Rissbelastung KI und der Entfernung des Hindernisses von der Rissspitze werden die Versetzungsdichte und das durch den Versetzungsstau verursachte Spannungsfeld berechnet. Mit Hilfe von Experimenten zur Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS - small angle neutron scattering) an verschiedenen WWER-Stählen und Modelllegierungen wurden Größenverteilungen und die Volumenanteile der strahleninduzierten Defekte für verschiedene Bestrahlungszustände (Fluenzen, Bestrahlungstemperaturen) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass sich die strahleninduzierte Werkstoffschädigung durch Wärmebehandlung weitgehend wieder ausheilen lässt. Nach der thermischen Ausheilung ist der Werkstoff bei erneuter Bestrahlung weniger anfällig für strahleninduzierte Defekte. Die Ergebnisse der SANS-Untersuchungen wurden mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Streckgrenze und Sprödbruchübergangstemperatur) korreliert. Mit der kinetischen Gitter-Monte-Carlo-Methode wurden numerische Sensitivitätsstudien zum Einfluss des Cu-Gehalts auf die Stabilität von Defekt-Clustern durchgeführt. Die Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Atomen zur Bildung von langlebigen Defekten führt. Dabei werden Leerstellen in Cu/Leerstellen-Cluster eingefangen. Leerstellen in reinem Eisen sind bei Bestrahlungstemperaturen von 270 °C dagegen nicht stabil, die Lebensdauer liegt zwischen 0.01 s und 1 s. Die kritische Cu-Konzentration, ab welcher stabile Defekte entstehen, beträgt ca. 0.1 Masseprozent.

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Yes / Small-angle neutron scattering (SANS) and neutron spin-echo (NSE) have been used to investigate the temperature-dependent solution behaviour of highly-branched poly(N-isopropylacrylamide) (HB-PNIPAM). SANS experiments have shown that water is a good solvent for both HB-PNIPAM and a linear PNIPAM control at low temperatures where the small angle scattering is described by a single correlation length model. Increasing the temperature leads to a gradual collapse of HB-PNIPAM until above the lower critical solution temperature (LCST), at which point aggregation occurs, forming disperse spherical particles of up to 60 nm in diameter, independent of the degree of branching. However, SANS from linear PNIPAM above the LCST is described by a model that combines particulate structure and a contribution from solvated chains. NSE was used to study the internal and translational solution dynamics of HB-PNIPAM chains below the LCST. Internal HB-PNIPAM dynamics is described well by the Rouse model for non-entangled chains.

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This thesis focuses on the study of the interactions between polyelectrolytes and surfactants in aqueous solutions and at interfaces, as well as on the structural changes these molecules undergo due to that interaction. Small–angle neutron scattering, dynamic, and static light scattering were the main techniques used to investigate the interactions in bulk. The first type of polymer studied was a negatively charge glycoprotein (mucin); its interactions with ionic sodium alkyl sulfate surfactants and nonionic surfactants were determined. This system is of great relevance for several applications such as oral care and pharmaceutical products, since mucin is the main component of the mucus layer that protects the epithelial surfaces (e.g. oral tissues). Sodium dodecyl sulfate (SDS) on the other hand, has been used as foaming agent in tooth pastes for a very long time. In this work it is seen how SDS is very effective in dissolving the large aggregates mucin forms in solution, as well as in removing preadsorbed mucin layers from different surfaces. On the other hand, the nonionic surfactant n-dodecyl β-D-maltopyranoside (C12-mal), does not affect significantly the mucin aggregates in solution, neither does it remove mucin effectively from a negatively charge hydrophilic surface (silica). It can be suggested that nonionic surfactants (like the sugar–based C12-mal) could be used to obtain milder oral care products. The second type of systems consisted of positively charged polyelectrolytes and a negatively charged surfactant (SDS). These systems are relevant to a wide variety of applications ranging from mining and cleaning to gene delivery therapy. It was found that the interactions of these polyelectrolytes with SDS depend strongly on the polyelectrolyte structure, charge density and the solvent composition (pH, ionic strength, and so on). Large solvent isotopic effects were found in the interaction of polyethylene imine (PEI) and SDS, as well as on the interactions of this anionic surfactant and the sugar–based n-decyl β-D-glucopyranoside (C10G1). These surfactants mixtures formed similar structures in solutions to the ones formed by some of the polyelectrolytes studied, i.e. ellipsoidal micelles at low electrolyte concentration and stiff rods, at high electrolyte and SDS concentrations. / QC 20100901

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