Vorlesung 8: Flüssig-flüssig-Grenzflächen Flashcards
Was ist die PIT-Methode?
Herstellungsverfahren einer Emulsion in einem dreistufig thermischen Verfahren:
1. Herstellung einer O/W-Emulsion bei tiefer Temperatur
2. Aufheizung der Emulsion auf T > PIT
3. Abkühlung des Systems auf Ausgangstemperatur
–> Energetisch günstiges Verfahren
–> Nur anwendbar bei nichtionischen Surfactants
Was versteht man unter einer Phaseninversion? Was ist die Phaseninversionstemperatur?
Ab einem gewissen Phasenvolumenverhältnis invertiert in einer Emulsion die innere Phase zur
kontinuierlichen Phase
Die Phaseninversionstemperatur (PIT) ist die Temperatur, bei der eine Umkehr der Phasenlage
eines Dispersionssystems erfolgt
HLB-Wert eines Surfactants ist stark temperaturabhängig:
* T < PIT: Surfactant ist wasserlöslich
* T > PIT: Surfactant ist öllöslich
Was sagt die Bancroft-Regel?
Die Phase, in der der Emulgator eine höhere Löslichkeit besitzt wird die kontinuierliche
Phase in einem Dispersionssystem
Wie wählt man einen geeigneten Emulgator aus?
Die Auswahl des Emulgators entscheidet maßgeblich darüber, welche Art von Emulsion gebildet wird
Klassifizierung der Emulgatoren nach ihrem HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic-Balance):
- Niedriger HLB-Wert: Emulgator lipophil
- Hoher HLB-Wert: Emulgator hydrophil
HLB-Werte lassen sich aus chemischer Struktur der Emulgatoren berechnen
HLB-Werte können auch experimentell bestimmt werden
- durch Titration von Emulgatorlösungen bis zum Trübungspunkt
- chromatographische Verfahren
Was ist die Schulze-Hardy-Regel?
Ionen können ein- oder mehrwertig sein, also eine oder mehrere positive bzw. negative
Ladungen z tragen
→ höherwertige Ionen sind effektiver
Reduzierung der Ionenkonzentration (insbesondere von mehrwertigen Ionen) in der wässrigen Lösung
→ Erhöhung der Stabilität der O/W-Emulsion
Hinzufügen von Salzen in O/W-Emulsionen
→ Aufrahmung
Qualitative Erklärung: höher geladene Gegenionen
schirmen die Fluidpartikel stärker ab und
vermindern dadurch die elektrostatische Abstoßung
Was für einen Einfluss hat die Viskosität?
Eine hohe Viskosität der kontinuierlichen Phase vermindert die Aufrahmung und die Abflussrate
der Flüssigkeit zwischen zwei sich nähernden Tröpfchen.
→ Verlangsamung der Koaleszenz
Welche Flüssigkeiten zeigen Newtonsches Verhalten?
Wasser und verdünnte wässrige Lösungen
Ethanol
Glycerol
Olivenöl
Was versteht man unter Rheologie?
Die Rheologie (auch Fließkunde) ist die Wissenschaft, die sich mit dem Fließ- und
Deformationsverhalten von Materie unter dem Einfluss äußerer Kräfte beschäftigt.
Was sind die 5 Eigenschaften von Mikroemulsionen?
Tröpfchengröße zwischen 1- 100 nm
Emulsion erscheint klar (keine Lichtstreuung)
Thermodynamisch stabil (lyophile Kolloide)
Bildung geschieht spontan
Höhere Aufnahmefähigkeit an disperser Phase unter Beibehaltung des isotropen Charakter (im Vgl. zu Mizellen)
Was ist Aufrahmung und wie kann man es minimieren?
Dichtedifferenz zwischen Öl und Wasser in einer O/W-Emulsion führt zum dichtebedingten Aufsteigen der Öltröpfchen an die Oberfläche
Minimierung der Aufrahmung durch:
- Erhöhen der Dichte des Öls mit Additiven (Tetrachlormethan)
- Verkleinern der Tröpfchengröße durch Homogenisieren
Was sind die zwei Bedingungen für den Tropfenaufbruch?
- We>We(kr)
- t(def)>t(def,kr)
Was ist das Ziel der Emulsionherstellung?
Generierung eines definiert vorhersagbaren und einstellbaren Tropfengrößenspektrums mit
möglichst geringer Breite für die meisten Anwendungsfälle.
Was sind die Vorraussetzungen für die Emulsionspolymerisation?
d < 500nm
enge Tropfengrößenverteilung
Co-Stabilisator in den Tropfen
Konzentration und Wahl des Emulgators
In welchen Bereichen werden Emulsionen eingesetzt?
- Nahrungsmitteln
- Kosmetik
- Pharmazie
- Klebstoffe
- Farben
- Oberflächenbehandlungen
- Beschichtungen
–> Eines der wichtigsten Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Polymeren wie z.B. PVC: Emulsionspolymerisation
Was muss man machen um Emulsionen zu stabilisieren?
Eine Emulsion sollte für gleichbleibende Produktqualität möglichst stabil sein
Stabilisierung der Emulsion mit Hilfe von Tensiden, bei Emulsionen auch Emulgatoren genannt
- Der Kopf ist hydrophil, der Schwanz hydrophob
- Emulgatoren adsorbieren an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche
- Emulgatoren reduzieren die Oberflächenspannung und stabilisieren dadurch die Emulsion
Wie lautet der Prozess zur Enstehung von Sprühsahne?
- Milchfett besteht aus sehr kleinen Kügelchen, die von Proteinen umhüllt sind.
–> Dadurch verkleben sie nicht und bleiben in der Milch suspendiert. - Fügt man einen Emulgator (Mono- und Diglyceride) hinzu, binden sie mit ihren Fettsäureenden an die Fettkügelchen, wodurch diese nicht mehr vollständig mit Proteinen überzogen werden können
–> Dadurch können die Kügelchen aggregieren und längere Ketten ausbilden. - Werden Luftblasen in die Mischung eingeschlagen, werden sie durch diese Ketten stabilisiert und es entsteht eine dreidimensionale Struktur.
–> In den Zwischenräumen der Luftblasen befindet sich das Serum aus Wasser, Laktose und Proteinen.
Welche Tropfengrößenverteilung wird bei einer Emulsion bevorzugt?
Eine definierte und homogene Tropfengrößenverteilung wird bei einer Emulsion bevorzugt.
Was sind die verschiedenen Arten der Stabilisatoren, die an flüssig-flüssig-Grenzflächen adsorbieren? Beschreibe die Funktion dieser Arten.
ionische Emulgatoren: sie bilden auf den dispergierten Tröpfchen eine einlagige, entgegengesetzt geladene Schicht (Stern-Schicht), die eine diffuse Schicht erzeugt, wodurch eine Potentialenergiebarriere entsteht (vgl. DLVO-Theorie).
Polymeremulgatoren (sterische Stabilisierung): Polymere mit hydrophilen und lipophilen Segmenten, die an der Grenzfläche adsorbieren und deren Kettenenden und Schlaufen in die kontinuierliche Phase hineinragen, sodass die Annäherung von zwei Tropfen unterbunden wird.
Feststoffstabilisatoren (Pickering-Emulsion): die dafür verwendeten Partikel können an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche akkumulieren und eine feste Schicht bilden, die die Koaleszenz der inneren Phase verhindern kann.
Warum braucht man den Eintrag von mechanischer Arbeit zur Herstellung einer Emulsion?
Um eine Emulsion herzustellen, muss die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen vergrößert werden. Dazu muss die Grenzflächenspannung überwunden werden, was durch den Eintrag mechanischer Arbeit in das System erfolgt.
Was sind die Paramter, von denen abhängt, welche Art einer Emulsion sich einstellt?
- verwendeter Emulgator
- Phasenvolumenverhältnis
- Art des Öls (Viskosität)
- Elektrolyte in der wässrigen Phase
- Temperatur
Was sind die wichtigsten Verfahren zur Herstellung einer Emulsion?
- Rotor-Stator(-Rotor)-Maschinen
- Hochdruckhomogenisatoren
- Ultraschallemulgieren
- Membranemulgieren (z.B. Hohlfaseremulgieren)
Wie kann man Mayonnaise aus der Sicht eines Produktentwicklers als Emulsion beschreiben?
Mayonnaise ist eine O/W-Emulsion.
–> sowohl Senf als auch Lecithin (Bestandteil des Eigelbs) dienen als Emulgatoren.
Der HLB-Wert des Lecithins liegt bei 4.
Zusätzlich dazu verhindern die Zitronen- und Essigsäure die Koagulation.
Wichtig ist es, das Phasenvolumenverhältnis bei der Anmischung zu beachten.
Nach Einstellen einer stabilen Emulsion kann der Volumenanteil des Öls dann auf bis zu 80% erhöht werden.
Welcher Parameter ist entscheidend für die Auswahl eines Emulgators?
Ein geeigneter Emulgator kann mithilfe des HLB-Werts ausgewählt werden. Dieser kann über einen Berechnungsansatz oder experimentell bestimmt werden.
Wie werden Emulsionen klassifiziert?
Makroemulsion d > 1 μm,
Miniemulsion 100 nm < d < 1 μm
Mikroemulsionen d < 100 nm
Was ist eine Emulsion? Welche verschiedene Arten gibt es?
Eine Emulsion ist ein disperses System ineinander unlöslischer Flüssigkeiten. Es ist also eine innere Flüssigphase in Form von Tropfen in einer äußeren Flüssigphase verteilt.
Hauptsächlich gibt es zwei Arten: O/W-Emulsionen (Öl in Wasser) und W/O-Emulsionen (Wasser in Öl). Des Weiteren gibt es auch multiple Emulsionen, also zum Beispiel W/O/W- oder O/W/O-Emulsionen.
Was sind die Effekte, die zur Tropfeninstabilität einer Emulsion führen und wie können diese minimiert werden?
Tropfenkoaleszenz:
- zwei Tropfen verschmelzen nach einer Kollision zu einem größeren Tropfen, um dadurch die Grenzfläche zu minimieren.
- Emulgatoren können dies verhindern, indem sie die Grenzfläche stabilisieren.
- Außerdem mindert eine höhere Viskosität der kontinuierlichen Phase die Koaleszenz.
Ostwald-Reifung:
- größere Tropfen wachsen durch den diffusiven Stofftransport aus kleineren Tropfen durch die kontinuierliche Phase.
- Dies wird durch eine möglichst homogene Tropfengrößenverteilung minimiert.
Aufrahmung:
- ein Dichteunterschied zwischen der dispersen und der kontinuierlichen Phase sorgt für das Aufsteigen der Tropfen (bzw. das Absinken bei Sedimentation).
- Dies wird durch eine ähnliche Dichte der Phasen (z.B. durch Zugabe von Additiven), eine erhöhte Viskosität der kontinuierlichen Phase und eine kleine Tropfengröße minimiert.
