Vorlesung 8: Flüssig-flüssig-Grenzflächen

Question 1

Was ist die PIT-Methode?

Answer 1

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

Question 2

Was versteht man unter einer Phaseninversion? Was ist die Phaseninversionstemperatur?

Answer 2

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

Question 3

Was sagt die Bancroft-Regel?

Answer 3

Die Phase, in der der Emulgator eine höhere Löslichkeit besitzt wird die kontinuierliche
Phase in einem Dispersionssystem

Question 4

Wie wählt man einen geeigneten Emulgator aus?

Answer 4

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

Question 5

Was ist die Schulze-Hardy-Regel?

Answer 5

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

Question 6

Was für einen Einfluss hat die Viskosität?

Answer 6

Eine hohe Viskosität der kontinuierlichen Phase vermindert die Aufrahmung und die Abflussrate
der Flüssigkeit zwischen zwei sich nähernden Tröpfchen.

→ Verlangsamung der Koaleszenz

Question 7

Welche Flüssigkeiten zeigen Newtonsches Verhalten?

Answer 7

Wasser und verdünnte wässrige Lösungen
Ethanol
Glycerol
Olivenöl

Question 8

Was versteht man unter Rheologie?

Answer 8

Die Rheologie (auch Fließkunde) ist die Wissenschaft, die sich mit dem Fließ- und
Deformationsverhalten von Materie unter dem Einfluss äußerer Kräfte beschäftigt.

Question 9

Was sind die 5 Eigenschaften von Mikroemulsionen?

Answer 9

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)

Question 10

Was ist Aufrahmung und wie kann man es minimieren?

Answer 10

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

Question 11

Was sind die zwei Bedingungen für den Tropfenaufbruch?

Answer 11

1. We>We(kr)
2. t(def)>t(def,kr)

Question 12

Was ist das Ziel der Emulsionherstellung?

Answer 12

Generierung eines definiert vorhersagbaren und einstellbaren Tropfengrößenspektrums mit
möglichst geringer Breite für die meisten Anwendungsfälle.

Question 13

Was sind die Vorraussetzungen für die Emulsionspolymerisation?

Answer 13

d < 500nm

enge Tropfengrößenverteilung

Co-Stabilisator in den Tropfen

Konzentration und Wahl des Emulgators

Question 14

In welchen Bereichen werden Emulsionen eingesetzt?

Answer 14

• Nahrungsmitteln
• Kosmetik
• Pharmazie
• Klebstoffe
• Farben
• Oberflächenbehandlungen
• Beschichtungen

–> Eines der wichtigsten Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Polymeren wie z.B. PVC: Emulsionspolymerisation

Question 15

Was muss man machen um Emulsionen zu stabilisieren?

Answer 15

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

Question 16

Wie lautet der Prozess zur Enstehung von Sprühsahne?

Answer 16

1. Milchfett besteht aus sehr kleinen Kügelchen, die von Proteinen umhüllt sind.
   –> Dadurch verkleben sie nicht und bleiben in der Milch suspendiert.
2. 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.
3. 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.

Question 17

Welche Tropfengrößenverteilung wird bei einer Emulsion bevorzugt?

Answer 17

Eine definierte und homogene Tropfengrößenverteilung wird bei einer Emulsion bevorzugt.

Question 18

Was sind die verschiedenen Arten der Stabilisatoren, die an flüssig-flüssig-Grenzflächen adsorbieren? Beschreibe die Funktion dieser Arten.

Answer 18

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.

Question 19

Warum braucht man den Eintrag von mechanischer Arbeit zur Herstellung einer Emulsion?

Answer 19

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.

Question 20

Was sind die Paramter, von denen abhängt, welche Art einer Emulsion sich einstellt?

Answer 20

• verwendeter Emulgator
• Phasenvolumenverhältnis
• Art des Öls (Viskosität)
• Elektrolyte in der wässrigen Phase
• Temperatur

Question 21

Was sind die wichtigsten Verfahren zur Herstellung einer Emulsion?

Answer 21

• Rotor-Stator(-Rotor)-Maschinen
• Hochdruckhomogenisatoren
• Ultraschallemulgieren
• Membranemulgieren (z.B. Hohlfaseremulgieren)

Question 22

Wie kann man Mayonnaise aus der Sicht eines Produktentwicklers als Emulsion beschreiben?

Answer 22

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.

Question 23

Welcher Parameter ist entscheidend für die Auswahl eines Emulgators?

Answer 23

Ein geeigneter Emulgator kann mithilfe des HLB-Werts ausgewählt werden. Dieser kann über einen Berechnungsansatz oder experimentell bestimmt werden.

Question 24

Wie werden Emulsionen klassifiziert?

Answer 24

Makroemulsion d > 1 μm,
Miniemulsion 100 nm < d < 1 μm
Mikroemulsionen d < 100 nm

Question 25

Was ist eine Emulsion? Welche verschiedene Arten gibt es?

Answer 25

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.

Question 26

Was sind die Effekte, die zur Tropfeninstabilität einer Emulsion führen und wie können diese minimiert werden?

Answer 26

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.