Ionic liquids (ILs) present new approaches for controlling interactions at the solid-liquid interface. ILs are defined as liquids consisting of bulky and asymmetric ions, with a melting point below 373 K. Owing to their amphiphilic character they are powerful solvents but also possess other interesting properties. For example, ILs can self-assemble and are attracted to surfaces due to their charged nature. As a result, they are capable of forming nanostructures both in bulk and at interfaces. This thesis describes how the solid-IL interface responds to external influences such as elevated temperatures, the addition of salt and polarisation. An improved understanding of how these factors govern the surface composition can provide tools for tuning systems to specific applications such as friction. Normal and friction forces are measured for ethylammonium nitrate (EAN) immersed between a mica surface and a silica probe, at different temperatures or salt concentrations. The results demonstrate that an increase in temperature or low concentrations of added salt only induce small changes in the interfacial structure and that the boundary layer properties remain intact. In contrast, at sufficiently large salt concentrations the smaller lithium ion prevails and the surface composition changes. The interfacial layer of a similar IL is also investigated upon the addition of salt and the results reveal that lithium ions affect the surface composition differently depending on the ion structure of the IL. This demonstrates that the surface selectivity strongly depends on the ion chemistry. Remarkably, a repulsive double layer force manifests itself for EAN at 393 K, which is not observed for lower temperatures. This indicates a temperature dependent change in EAN’s microscopic association behaviour and has general implications for how ILs are perceived. A new method is developed based on a quartz crystal microbalance to investigate how the surface compositions of ILs respond to polarisation. The approach demonstrates that interfacial layers of both a neat IL and an IL dissolved in oil can be controlled using potentials of different magnitudes and signs. Furthermore, the method enables two independent approaches for monitoring the charges during polarisation which can be used to quantify the surface composition. The technique also provides information on ion kinetics and surface selectivity. This work contributes to the fundamental understanding of the solid-IL interface and demonstrates that the surface composition of ILs can be controlled and monitored using different approaches. / Jonvätskor möjliggör nya tillvägagångssätt för att kontrollera interaktioner vid gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor. Jonvätskor definieras som vätskor som består av stora och asymmetriska joner med en smältpunkt under 373 K. På grund av sin amfifila karaktär är de starka lösningsmedel men har också andra intressanta egenskaper. Jonvätskor kan till exempel självorganisera sig och attraheras till ytor på grund av sin laddning. En följd av detta är att de bildar nanostrukturer både i bulk och på ytor. Denna avhandling beskriver hur gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor svarar på yttre påverkan såsom en ökning i temperatur, tillsättning av ett salt samt polarisering. En ökad förståelse för hur dessa faktorer styr ytkompositionen av jonvätskor kan bidra med verktyg för att kontrollera system till specifika applikationer såsom friktion. Normala- och friktionskrafter mäts för etylammonium nitrat (EAN) mellan en glimmeryta och en kolloidprob vid olika temperaturer eller saltkoncentrationer. Resultaten visar att en ökning av temperatur eller låga koncentrationer av tillsatt salt bara marginellt framkallar ändringar i strukturen på gränsytan och att det adsorberade lagret förblir intakt. När saltkoncentrationen emellertid var tillräckligt hög får den mindre litiumjonen överhanden och ytsammansättningen ändras. Ytlagret av en liknande jonvätska undersöks också vid tillsättning av salt och resultaten avslöjar att litiumjoner påverkar ytsammansättningen annorlunda beroende på jonstrukturen av jonvätskan. Detta visar att ytselektiviteten starkt beror på jonkemin. En repulsiv dubbellagerkraft yttrar sig anmärkningsvärt för EAN vid 393 K vilket inte observeras vid lägre temperaturer. Detta indikerar en ändring i EANs mikroskopiska sammansättningsbeteende och har generella återverkningar för hur jonvätskor uppfattas. En ny metod har utvecklats baserad på en kvartskristall mikrovåg för att undersöka hur ytsammansättningen av jonvätskor reagerar på polarisering. Denna metod visar att det adsorberade lagret av både en ren jonvätska och en jonvätska löst i olja kan kontrolleras genom att applicera spänningar med olika tecken och storlekar. Dessutom möjliggör metoden två oberoende tillvägagångssätt för att övervaka laddningarna under polarisering vilket kan användas för att kvantifiera ytsammansättningen. Tekniken ger också information om jonkinetik och ytselektivitet. Detta arbete bidrar till den grundläggande förståelsen av gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor och visar att ytsammansättningen av jonvätskor kan kontrolleras och övervakas med olika tillvägagångssätt. / <p>QC 20160518</p>

The aim of this thesis work was to gain understanding of the interactions between talc mineral and surfaces, liquids and chemicals relevant for industrial applications, such as pulp and paper. Talc is used in the pulp and paper industry as a filler pigment, in control of pitch (lipophilic extractives) deposits and as a coating pigment. A deeper understanding of talc interactions will be beneficial in optimizing its use. Long-range attractive interactions between talc and hydrophobic model probes, as well as pitch probes, have been measured using the atomic force microscope (AFM) colloidal probe method. Two procedures for preparation of pitch colloidal probes were developed to allow these studies. Model hydrophobic, nanorough surfaces with surface energy characteristics similar to talc have also been prepared and their interactions with hydrophobic model probes compared to interactions between hydrophobic model probes and talc. It is demonstrated that talc mineral interacts with model hydrophobic particles, as well as with pitch, by long-range attractive forces, considerably stronger than the expected van der Waals force. The possible origin of the measured interaction forces is discussed, and the conclusion is that the main cause is an attractive capillary force due to formation of a gas/vapor capillary between the surfaces. Force measurements using model hydrophobic, nanorough surfaces show that a large-scale waviness does not significantly influence the range and magnitude of the capillary attraction, but large local variations in these quantities are found. It is demonstrated that a large variation in adhesion force corresponds to a small variation in local contact angle of the capillaries at the surfaces. The nature of the surface topographical features influences the capillary attraction by affecting the local contact angle and by pinning of the three-phase contact line. The effect is clearly dependent on the size of the surface features and whether they exist in the form of crevices or as extending ridges. Entrapment of air also affects the imbibition of water in pressed talc tablets. The effects of wetting and dispersion agents on the interactions between talc and hydrophobic probes have also been investigated. It is demonstrated that a common dispersing agent used for talc, poly(acrylic acid), does not affect the capillary attraction between talc and non-polar probes. In fact, the results strongly suggest that poly(acrylic acid) does not adsorb on the basal plane of talc. From this finding it is inferred that the stabilizing effect of this additive most likely is due to adsorption to the edges of talc. In contrast, a wetting agent (the non-ionic triblock copolymer Pluronic PE6400) removes the long-range capillary attraction. It is suggested that such an ability to replace air at the talc surface is of great importance for an efficient wetting agent. The Hamaker constant for talc has also been estimated by using optical data obtained from spectroscopic ellipsometry. It is demonstrated that a nanocrystalline talc mineral, cut in different directions displays very small differences in Hamaker constant between the different crystallographic orientations, whereas a microcrystalline sample displays a significantly higher value. The estimated Hamaker constants are discussed for different material combinations of relevance for the pulp- and paper industry, such as cellulose and calcium carbonate. / Målet med detta avhandlingsarbete var att öka förståelsen för interaktioner mellan talkmineral och ytor, vätskor och kemikalier relevanta för industriella applikationer, såsom papper och massa. Talk används i pappers- och massaindustrin som fyllmedel, för kontroll av hartsrika (lipofila extraktivämnen) avsättningar och som bestrykningspigment. En djupare förståelse för talkinteraktioner kommer att vara användbart för att optimera dess användning. Långväga attraktiva interaktioner mellan talk och hydrofoba modellpartiklar, såväl som mellan talk och hartspartiklar, har uppmätts med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) genom att fästa kolloidala partiklar på kraftsensorn. Två metoder för att framställa partiklar gjorda av harts har utvecklats för att möjliggöra dessa studier. Hydrofoba, nanostrukturerade modellytor med ytenergier liknande de för talk har också tillverkats och deras växelverkan med hydrofoba modellpartiklar har jämförts med dem mellan talk och hydrofoba modellpartiklar. Studierna visar att talkmineral växelverkar med hydrofoba modellpartiklar, såväl som med harts, genom långväga attraktiva krafter som är betydligt starkare än den förväntade van der Waals kraften. Möjliga orsaker till de uppmätta växelverkanskrafterna diskuteras och slutsatsen blir att huvudorsaken är en attraktiv kapillärkraft som uppkommer genom att en gas-/ångkapillär bildas mellan ytorna. Kraftmätningar gjorda med hydrofoba nanostrukturerade modellytor visar att en storskalig vågighet inte nämnvärt påverkar storleken av kapillärattraktionen, men stora lokala variationer existerar. Det demonstreras att en stor variation i adhesionskraft motsvaras av en liten variation i lokal kontaktvinkel för kapillärerna på ytorna. Ytornas topografi påverkar kapillärattraktionen genom att påverka den lokala kontaktvinkeln samt genom att trefaskontaktlinjen inte kan röra sig fritt över ytan. Effekten är tydligt beroende av huruvida ytojämnheterna existerar i form av nedsänkningar eller upphöjningar. Instängd luft påverkar också pressade talktabletters uppsugningsförmåga av vatten. Vätnings- och dispergeringsmedels inverkan på växelverkan mellan talk och hydrofoba partiklar har undersökts. Resultaten visar att ett vanligt dispergeringsmedel för talk, polyakrylsyra, inte påverkar kapillärattraktionen. I själva verket tyder data på att polyakrylsyra inte adsorberas på talks basalplan. Utifrån dessa resultat dras slutsatsen att polyakrylsyra stabiliserar talkdispersioner genom att adsorbera på talkkanterna. Ett vanligt vätmedel (nonjonisk triblock sampolymer Pluronic PE6400) tar å andra sidan bort långväga kapillärattraktion. Detta antyder att egenskapen att ersätta luft på talkytan är av stor betydelse för effektiva vätmedel. Hamakerkonstanten för talk har uppskattats genom att utnyttja optiska data från ellipsometrimätningar. Det demonstreras att ett nanokristallint talkmineral kapat i olika riktningar uppvisar mycket små skillnader i Hamakerkonstant mellan de olika kristallografiska orienteringarna, medan ett mikrokristallint prov uppvisar ett betydligt högre värde. De beräknade Hamakerkonstanterna diskuteras för olika materialkombinationer relevanta för pappersindustrin, såsom cellulosa och kalciumkarbonat. / QC 20100813