J. Phys. France 45, 1263-1270 (1984)
DOI: 10.1051/jphys:019840045070126300

New aspects of the behaviour of alkyltrimethylammonium bromide micelles : light scattering and viscosimetric studies

S.J. Candau¹, E. Hirsch¹ et R. Zana<sup>2

1</sup>  Laboratoire d'Acoustique Moléculaire , Université Louis Pasteur, 4, rue Blaise Pascal, 67070 Strasbourg Cedex, France
²  Centre de Recherches sur les Macromolécules, 6, rue Boussingault, 67083 Strasbourg Cedex, France

Abstract
Micellar solutions of dodecyl-, tetradecyl- and hexadecyl-trimethylammonium bromides (DTAB, TTAB and CTAB, respectively) have been investigated in H2O-0.1 M KBr by means of viscosity and elastic and quasielastic light scattering, from the dilute range (near the critical micellization concentration, CMC) to the semi-dilute range (up to 0.42 M). The DTAB micelles have been shown to be spherical in the whole concentration range, whereas TTAB micelles remain spheroidal up to about 0.2 M then become increasingly anisodiametric (probably with an elongated shape) as the concentration is increased. The CTAB micelles are already prolate at the CMC (axial ratio of about 6) and grow very rapidly in size with the surfactant concentration. The behaviour of the CTAB solutions at concentration above 4 x 10-2 M, that is in the range where the prolate micelles are probably entangled, has been found to follow power laws, just like solutions of entangled polymer chains in the semi-dilute range. The exponents characterizing the change of the diffusion coefficient and of the intensity of scattered light are 0.75 and - 0.25, respectively, in excellent agreement with the prediction of the theoretical treatments for semi-dilute polymer solutions. The viscosity data however show the limits of applicability of this model to the micellar systems investigated. Previous results concerning TTAB micelles in H 2O-0.1 M KBr in the presence of 1-pentanol have been reexamined.

Résumé
Des solutions micellaires aqueuses de bromure de dodécyl-, tétradécyl- et hexadécyl-triméthylammonium (respectivement DTAB, TTAB et CTAB) en présence de 0,1 M KBr ont été étudiées par viscosité et diffusion de lumière élastique et quasi élastique à des concentrations allant du domaine très dilué (près de la concentration micellaire critique, CMC) au domaine semi-dilué (jusqu'a 0,42 M). Ces expériences ont montré que les micelles de DTAB sont sphériques dans tout le domaine de concentration étudié alors que les micelles de TTAB demeurent sphéroïdales jusqu'à environ 0,2 M , puis deviennent de plus en plus anisodiamétriques (probablement de forme allongée) quand la concentration augmente. Les micelles de CTAB sont déjà allongées à la CMC (le rapport des 2 axes étant de l'ordre de 6) et augmentent rapidement de taille avec la concentration en détergent. Le comportement des solutions de CTAB aux concentrations supérieures à 4 x 10-2 M, c'est-à-dire dans le domaine où les micelles allongées se recouvrent, est décrit par des lois d'échelle comme dans le cas des solutions semi-diluées de macromolécules enchevêtrées. Les exposants caractéristiques de la variation avec la fraction volumique du détergent, du coefficient de diffusion de translation et de l'intensité diffusée sont respectivement 0,75 et - 0,25, en excellent accord avec les prédictions de la théorie des solutions semi-diluées de polymères. Cependant les résultats de viscosité montrent les limites d'applicabilité du modèle aux solutions micellaires. Des résultats obtenus précédemment pour des solutions micellaires de TTAB dans H2O-0,1 M KBr en présence de 1-pentanol ont aussi été réanalysés.

PACS
8270U - Surfactants, micellar solutions, vesicles, lamellae, amphiphilic systems, (hydrophilic and hydrophobic interactions).

Key words
colloids -- diffusion in liquids -- light scattering -- organic compounds -- viscosity of liquids