Einfache und komplexe disperse Systeme Flashcards
Definition disperse Systeme
Disperse Systeme bestehen aus mindestens zwei nicht miteinander mischbaren Phasen, die fest, flüssig oder gasförmig sind.
einfache Dispersionen:
eine Phase bildet Dispersionsmittel (äußere oder auch kontinuierliche Phase), und eine weitere Phase liegt in dispergierter Form vor (innerer, feinverteilte Phase, disperse Phase)
komplexe disperse Systeme:
Systeme mit mehreren dispersen Phasen in einer kontinuierlichen Phase
Wie nennt man x als disperse Phase in y als Dispersionsmittel:
- Aerosole
- Lyosol
- Xerosol
Aerosol:
- Flüssigkeit in Gas -> Flüssigkeitsaerosol (Nebel, Flüssigkeitsversprühung)
- Feststoff in Gas -> Feststoffaerosol (Staub, Pulververschüttung)
Lyosol:
- Gas in Flüssigkeit -> Schaum (Eiweißschaum)
- Flüssigkeit in Flüssigkeit -> Emulsion (Milch)
- Feststoff in Flüssigkeit -> Sol, Suspension (Zuckerkristalle in Schokoladenmasse, Stärkeaufschlämmung)
Xerosol:
- Gas in Feststoff -> fester Schaum (Baiser, Zwieback)
- Flüssigkeit in Feststoff -> feste Emulsion, poröser flüssigkeitsgefüllter Festkörper (Margarine, Obst, Ölsaaten)
- Feststoff i Feststoff -> feste Suspension (Teigwaren)
Was ist ein Emulgierprozess und was wird benötigt, um diesen in Gang zu bringen
Tröpfchenzerkleinerung und Stabilisation durch Emulgatoren
–> benötigt mechanische Energie (Mixer)
Welche 2 Wege kann eine Emulsion bestreiten, wovon ist es abhängig und was folgt daraus
Durch größere Oberfläche nach Emulsion werden mehr Emulgatoren benötig
1. Teilchen stabilisieren sich bei ausreichenden Emulgatoren
2. Teichen stabilisieren sich nicht, wenn zu wenig Emulgatoren vorliegen
Was liegt nach Emulsion vor?
1. Bei Stabilisation liegt die disperse Phase danach in kleineren Teilchen vor (Oberflächenvergrößerung)
2. Können die emulgierten Teilchen sich nicht stabilisieren, fließen sie wieder zusammen (Ausgangszustand)
Womit lässt sich bestimmen welche die disperse Phase und welche die kontinuierliche Phase ist (Dispersionsmittel)
Mit HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic-Balance)
HLB = 0-9 Emulgator ist überwiegend öllöslich
HLB = 10 Emulgator hat gleiche Löslichkeit in Öl und Wasser
HLB = 11-20 Emulgator ist überwiegend wasserlöslich
HLB = 20 * (M hydrophil / M gesamt)
Wie ist der Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und Emulgatoren
–> was passiert bei einem Emulgatorenüberschuss
Je mehr von einem Emulgator vorliegt, desto geringer wird die Oberflächenspannung (bzw. ab gewissen Punkt, wird ein konstanter Wert erreicht)
–> Micellenbildung
Wann Spannung, wann Energie (bei Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung/-energie)
Spannung –> bei Flüssigkeiten
Energie –> bei Festkörpern
Wie beeinflusst ein Emulgator die spezifische, freie Grenzflächenenergie
-> was folgt daraus
Sie sinkt mit Zugabe des Emulgators
-> es wird weniger mechanische Energie benötigt, um die Tröpfchen zu zerteilen
Wann ist eine Emulsion physikalisch stabil, was führt zu Instabilitäten
Physikalische Stabilität:
Disperse Phase liegt zeitlich und örtlich im unveränderten Verteilungszustand in kontinuierlicher Phase vor
Mechanismen, die zur Instabilität führen:
1. Veränderung der Partikelgröße bzw. der Partikelgrößenverteilung
2. Veränderung des Verteilungszustandes der dispersen Phase
3. Veränderung des Emulsionstyps
Wie nennt man gleiche bzw. unterschiedliche Partikelgrößen der dispersen Phase und welche Auswirkungen hat dies auf die Stabilität der Emulsion
größtenteils gleiche Partikelgrößen:
monodispers
unterschiedliche Partikelgrößen:
bimodal-polydispers
==> je gleichmäßiger die Verteilung der Partikelgrößen, desto stabiler ist die Emulsion
Instabilität von Emulsionen:
3 mögliche Arten der Veränderung der Partikelgrößenverteilung
-> reversibel / irreversibel
Aggregation: zufällige Zusammenlagerung -> reversibel
Koaleszenz: zusammenfließen der Tröpfchen -> irreversibel
Ostwaldreifung: Tröpfchenwachstum (durch partielle Abgabe) -> irreversibel
Instabilität von Emulsionen:
2 mögliche Arten der Veränderung des Verteilungszustandes der dispersen Phase
-> wodurch entsteht der unterschiedliche Verteilungszustand
-> Entsteht durch Dichteunterschied zwischen disperser und kontinuierlicher Phase
- Sedimentation:
Zusammenlagerung von Partikeln (Tröpfchen) am Boden (reversibel) - Aufrahmung:
Zusammenlagerung von Partikeln (Tröpfchen) an Oberfläche (meist irreversibel)
Instabilität von Emulsionen:
Veränderung des Emulsionstyps
Phaseninversion -> reversibel
Einflussfaktoren auf die physikalische Stabilität
-> Stoke’sches Gesetz der Aufrahm- / Sedimentationsgeschwindigkeit
W rel = [d^2 * (p (dis. Ph.) - p (kon. Ph.)) * g (9,81 m/s^2)] / 18 * nF
W rel: Aufrahm- / Sedimentationsgeschwindigkeit
d: Partikelgröße
p: Dichte (der jeweiligen Phase)
g: Erdbeschleunigung
nF: Viskosität der kontinuierlichen Phase
Weitere Einflussfaktoren:
Qualität des Grenzflächenfilms
Phasenvolumenverhältnis
Wenn man das Stoke’sches Gesetz betrachtet, welche Möglichkeiten zur Stabilisierung von Emulsionen lassen sich daraus ableiten
- Tröpfchenverkleinerung (Hochdruckhomogenisieren: gleichmäßige, kleine Partikel)
- Viskositätserhöhung (Wasserbindung durch Stabilisatoren)
- Reduzierung der Dichteunterschiede zwischen disperser und kontinuierlicher Phase
Inwiefern kann man die Grenzflächeneigenschaften durch Emulgatoren und Makromoleküle steuern
sterische Hinderung:
- Höhermolekulare Emulgatoren (z.B. Proteine) bilden räumliche Barriere (auch elektrostatisch)
- Ausbildung einer Hydrathülle (z.B. Monoglyceride)
- Feststoffpartikel (Pickering)
elektrostatische Abstoßung:
- Ionische Emulgatoren bilden gleiche Oberflächenladung aus (Zeta-Potential) –> Partikel stoßen sich ab
Ausbildung von viskoelastischen Grenzflächenfilmen –> Marangoni-Effekt
Was ist der Marangoni-Effekt
-> hydrodynamischer Effekt:
partiell unterschiedliche Verteilung der Oberflächenspannung durch partiell unterschiedliche Anlagerung von Emulgatoren induzieren Emulgator Bewegung -> von stärker belegten Bereichen zu schwächer belegten Bereichen
=> bei dieser Bewegung wird kontinuierliche Phase mitgezogen -> strömt zwischen Partikel der dispersen Phase => Zusammenfließen wird verhindert
Was ist ein kritischer Wert des Volumenbruchs und was beeinflusst das Phasenvolumenverhältnis
Volumenanteil disperser Phase:
< 0.74 (<74%): Teilchen unverformt
> 0.74 (>74%): Teilchenverformung in Polyederform
=> beeinflusst disperse Systeme in
- ihrer Stabilität
- ihrer Viskosität
- ihren rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten
Suspensionen:
- was ist es
- wie können die dispersen Teilchen stabilisiert werden (Verhinderung von Sedimentation)
- wovon sind die rheologischen Eigenschaften abhängig
Suspension ist ein metastabiles System bezüglich Aggregation und Sedimentation
Stabilisierung von dispersen Teilchen durch:
1. Adsorptionsschichten durch grenzflächenaktive Stoffe
2. Ausbildung von Hydrathüllen
Rheologische Eigenschaften sind abhängig von:
1. Volumenbruch
2. Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Dispersionsmittel
3. zwischenpartikulären Wechselwirkungen
Inwiefern wird die Viskosität von Suspensionen beeinflusst und wie stehen Volumenbruch und Fließgrenze in Verbindung
- Hydrat- und Adsorptionshüllen erhöhen Volumenbruch
- > Viskosität steigt mit zunehmenden Volumenbruch (sprich mehr Feststoffpartikel sind als disperse Phase vorhanden)
bei hohem Volumenbruch kann Fließgrenze entstehen
Welche Eigenschaften haben Feststoffpartikel bei einer Suspension häufig
-> wie wirkt sich dies auf Fließgeschwindigkeit aus
häufig anisotrop-polydispers (unterschiedliche Formen)
-> niedrigere Fließgeschwindigkeit
Eigenschaften von Schäumen (Gas in Flüssigkeit)
+ 3 Stabilisatoren
- Schäume sind ohne Stabilisatoren nur kurze Zeit stabil
- beim Verfestigen des flüssigen Dispersionsmittels entstehen feste Schäume
- Stabilität abhängig von der Viskosität des Dispersionsmittels
- bei hohem Volumenbruch fließen die Bläschen zusammen (Koaleszenz)
Kugelschaum: Volumenbruch < 0,74
Polyederschaum: Volumenbruch > 0.74
-> Entstehung von Polyederschäumen nur in Gegenwart von Stabilisatoren
Stabilisatoren:
1. grenzflächenaktive Stoffe
2. Makromoleküle
3. disperse Feststoffteilchen
Einteilung von dispersen Systemen nach Teilchendurchmesser
< 1nm echte Lösungen (molekulardispers) <100nm kolloidaldisperse Lösung < 1000nm Suspensionen
Sensorische Wahrnehmung von dispersen Systemen
- cremig
- puderartig
- sandig
0.1 - 3μm –> cremig
3 - 8μm –> pudrig
>8μm –> sandig
Eigenschaften einer makromolekularen Lösung
- unbegrenzte Quellung (Wasseraufnahme) im Lösungsmittel
- unvernetzte Makromoleküle
Eigenschaften von makromolekularen Gelen
- begrenzte Quellung im Lösungsmittel:
Aufnahme einer bestimmten Lösungsmittelmenge unter Volumenvergrößerung bis zu einem Maximalwert
=> Entstehung einer makromolekularen Raumstruktur
- Hohlräume schließen Flüssigkeit (Dispersionsmittel) ein
==> elastisches Verhalten
Was ist eine aggregierte Dispersion
eine Art Gel:
entsteht durch Netzwerk (Zusammenschluss) an denaturierten Proteinen (5-10% Protein erforderlich)
