Rheology and stability of worm-like micelles

A formação, estabilidade e aplicações das micelas gigantes têm sido amplamente estudadas. Estes sistemas são muito interessantes devido ao seu comportamento reológico similar aos polímeros. Porém, as micelas gigantes são espécies supramoleculares mantidas por ligações não-covalentes, portanto, sob alta turbulência, podem resistir à degradação mecânica, além de promoverem redução de atrito hidrodinâmico devido ao efeito Toms. Neste estudo, a formação e estabilidade das micelas gigantes formadas pela combinação de surfatantes catiônicos e diferentes compostos aromáticos, foram estudadas sistematicamente. A redução de atrito foi observada medindo o torque aplicado à solução para manter a turbulência. A temperatura do sistema foi progressivamente aumentada, mostrando o ponto específico em que as micelas gigantes são termicamente destruídas. Baseado neste estudo foi possível estabelecer a ordem em termos de estabilidade: ácido orto-hidróxicinâmico (OHCA) ~ salicilato > tosilato > ácido orto-metóxi-cinâmico (OMCA) > fenol. Para benzoato e metóxibenzoato não foi observada a formação de micelas gigantes. Estes resultados revelam algumas interações peculiares entre a cabeça do surfatante e a molécula aromática. Em regimes semidiluídos, começa haver entrelaçamentos das macroestruturas, formando géis de Maxwell, assim, a reologia oscilatória foi usada para determinar G¿, G¿ e o tempo de relaxação em função da frequência. Apesar de G0 ser praticamente o mesmo, o tempo de relaxação parece ser sensível à composição de co-soluto, seguindo a seguinte ordem: fenol < OMCA < tosilato < OHCA ~ salicilato. Experimentos de calorimetria e espalhamento de luz também foram utilizados para corroborar com os experimentos de reologia.The formation, stability and applications of worm-like micelles have been widely studied. These systems are very interesting because their rheological behavior is similar to the polymeric one. However, the worm-like micelles are supramolecular species maintained by non-covalent bonds, thus, upon high turbulence, they resist to mechanical degradation, besides, they promote the drag reduction due to Toms Effect. In this study, the formation and stability of worm like micelles formed by the combination of cationic surfactants and different aromatic compounds were systematically studied. The drag reduction was observed by measuring the torque applied to the solution to maintain the turbulence. The system temperature was then progressively enhanced, revealing the specific point in which the worm-like micelles are thermally destroyed. Based in such study it was possible to establish the order in terms of stability: orthohydroxycinnamic acid (OHCA) ~ salycilate > tosylate > orthomethoxycinnamic acid (OMCA) > phenol. For benzoate and methoxybenzoate, no worm-like micelles are observed. These results reveal some peculiar interactions between the head of the surfactant and the aromatic molecules. In more concentrated regime, chains of the wormlike micelles undergo entanglements, forming typical Maxwell gels. The oscillatory rheology was used to determine G¿, G¿ and the relaxation time as a function of the frequency. Although G0 is practically the same, the relaxation time is quite sensitive to the composition of the co-solute, following order: phenol < OMCA < tosylate < OHCA ~ salycilate. Calorimetric and light scattering experiments were carried out to corroborate the rheological experiment