Dispersionen und Emulsionen

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1. Kolloidale Verteilungen und ihre technische Bedeutung

Zusammenfassung

Die Verteilung eines Stoffes in einem Dispersionsmittel (kontinuierliche Phase) wird als kolloidal bezeichnet, wenn mindestens eine Dimension der dispergierten Phase ≤1 µm ist. Üblicherweise grenzt man die kolloidalen Dispersionen bei etwa 1 nm gegen die echten Lösungen ab (Abb. 1.1).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

Elektrostatisch stabilisierte Dispersionen (DLVO-Theorie)

Zusammenfassung

Die kolloidale Verteilung der in einer kontinuierlichen Phase dispergierten Teilchen ist nur stabil, solange die Teilchen durch abstoßende Kräfte auseinander gehalten werden. Gegenwärtig sind drei Stabilisierungsmechanismen bekannt (Abb. 2.1):

die elektrostatische Stabilisierung

die sterische Stabilisierung und

die Verarmungsstabilisierung (depletion stabilization).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

3. Die Stabilität elektrostatisch stabilisierter Dispersionen

Zusammenfassung

Die Stabilität elektrostatisch stabilisierter Dispersionen wird durch die elektrostatische Abstoßung V _R und die Van-der-Waals-Anziehung V _A bestimmt. Die Potentialkurve V _T = V _A + V _R einer stabilen Dispersion zeigt eine Energiebarriere V _m (Kap. 2.6; Abb. 2.13–2.15), die mit steigendem Salzgehalt abnimmt. Wenn V _T,max unter 15 kT absinkt, wird die Dispersion instabil und koaguliert. Die dazu notwendige kritische Koagulationskonzentration c _K des Salzes hängt empfindlich von der Wertigkeit υ des Gegenions ab.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

4. Kolloidale Dispersionen und Polymere

Zusammenfassung

Das Schicksal einer Dispersion in Gegenwart von Polymeren hängt davon ab, ob die Polymere an den Teilchen adsorbiert werden oder in Lösung bleiben (Abb. 4.1). Im ersten Fall kommt es häufig schon bei geringsten Konzentrationen zur Flockung (Kap. 4.4). Bei ausreichender Bedeckung der Teilchen durch die adsorbierten Makromoleküle setzt sterische Stabilisierung (steric stabilization) ein (Kap. 4.5). Werden die Makromoleküle nicht adsorbiert, verbleiben also im Dispersionsmittel, flockt die Dispersion bei einer bestimmten Polymerkonzenation infolge von Verarmungseffekten (depletion flocculation; Kap. 4.12). Manchmal werden diese Dispersionen bei hohen Polymerkonzentrationen wieder stabil (Verarmungsstabilisierung, depletion stabilization). Verarmungseffekte treten auch auf, wenn eine Dispersion von Teilchen mit makromolekularer Hülle noch gelöste Polymere enthält (Kap. 4.12). Solche Systeme sind in der Technik besonders häufig.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

5. Herstellung von Dispersionen anorganischer Stoffe

Zusammenfassung

Die Herstellung kolloidaler Dispersionen fasziniert heute noch genauso wie in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts, zumal dadurch auch ein (manchmal nur latent vorhandenes) ästhetisches Bedürfnis befriedigt wird. In älteren Lehrbüchern der Kolloidchemie sind viele Beispiele für die Herstellung kolloidaler Dispersionen aufgeführt (Zsigmondy, 1927; Edelmann, 1968; Thiele, 1950; Ostwald, 1943). Heutzutage genügt es nicht mehr, lediglich eine kolloidale Verteilung zu erzeugen, vielmehr werden bestimmte Anforderungen an Art, Gestalt, Größe und Größenverteilung der Teilchen gestellt.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

6. Herstellung von Polymerkolloiden

Zusammenfassung

Ein beachtlicher Anteil der Kunststoffe, etwa 30% Massenanteil, wird heute in Form von Dispersionen hergestellt oder verarbeitet. Neben zahlreichen Spezialanwendungen (z. B. als Zusatz zu Beton) werden die Polymerkolloide zur Herstellung von Dispersionsfarben, Lacken, Beschichtungen, Klebstoffen und Folien benötigt sowie zur Papier- und Textilveredelung eingesetzt.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

7. Herstellung und Eigenschaften von Emulsionen

Zusammenfassung

Emulsionen sind disperse Systeme, bei denen eine flüssige Phase (dispergierte Phase, innere Phase) in eine andere flüssige Phase (kohärente Phase, äußere Phase) verteilt ist (Becher, 1983, 1985, 1988; Lissant, 1974, 1984; Shah, 1985; Rieger, 1986; Myers, 1988; Stache, 1990; Heusch, 1993). Das Phasenvolumen-verhältnis φ ist der Quotient aus dem Volumen V _i der inneren Phase und dem der äußeren:

$$\phi = V_i /V_a . $$

(7.1)

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

8. Teilchengröße

Zusammenfassung

Abgesehen von der Lichtstreuung in Lösung decken die verschiedenen Methoden zur Teilchengrößenbestimmung unterschiedliche Größenbereiche ab (Abb. 8.1). Die wichtigste mikroskopische Methode ist die Elektronenmikroskopie. Zukunfts-weisend ist die Röntgenmikroskopie, weil die Teilchen in situ in ihrer wäßrigen Umgebung untersucht werden können (Kap. 8.3).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

9. Oberflächenladung

Zusammenfassung

Die Stabilität elektrostatisch oder überwiegend elektrostatisch stabilisierter Dispersionen wird durch das Potential ψ _d an der Grenze zur diffusen Ionenschicht bestimmt (s. Abb. 2.6, Kap. 2.3.2 und Abb. 9.4). Im allgemeinen ist jedoch nur die Oberflächenladung, genauer die Oberflächenladungsdichte, experimentell zugänglich. Aus dieser läßt sich das Oberflächenpotential ψ ₀ nach Gleichung 2.10 ausrechnen, aus dem ψ _d nach dem Stern-Modell ermittelt werden kann (Kap. 2.3.2).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

10. Oberflächenpotential und elektrokinetisches Potential

Zusammenfassung

Die Ladungen an der Oberfläche eines Teilchens erzeugen ein Potential ψ, das unmittelbar an der Grenzfläche den Wert ψ ₀ hat und zur Lösung hin abfällt. Weit weg vom Teilchen ist ψ = 0 (Kap. 2.3.1). Wie sich das Potential mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche ändert, hängt von der Verteilung der Ionen zwischen Grenzfläche und Lösung ab. Modelle, die diese Verteilung beschreiben, wurden bereits diskutiert (Kap. 2.3.2, 9.4).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

11. Stabilitätsmessungen

Zusammenfassung

Elektrostatisch stabilisierte Dispersionen werden durch Zugabe von Salzen, pH-Änderung und durch Zusatz von Flüssigkeiten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten destabilisiert (Kap. 3.9). Sterisch stabilisierte Dispersionen sprechen weniger auf Salzzusatz an, reagieren aber auf eine Verschlechterung der Lösungsmittelgüte und können mit steigender oder sinkender Temperatur instabil werden (Kap. 4.11).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

12. Aggregation

Zusammenfassung

In den vorausgegangenen Kapiteln wurden die Bedingungen für die Stabilität bzw. zur Destabilisierung kolloidaler Dispersionen ermittelt. Oft ist aber auch wichtig, wie die kolloidalen Teilchen aggregieren, sedimentieren und welche Art von Sediment entsteht.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

13. Rheologische Eigenschaften von Dispersionen

Zusammenfassung

Als eines ihrer auffälligsten Merkmale läßt sich das Fließverhalten von Medien durch ihren Viskositätskoeffizienten η (kurz Viskosität genannt; lat.: viscum — Vogelmist, Vogelleim) beschreiben. Diese Größe definiert den Widerstand, denein System dem Fließvorgang entgegensetzt. Man kann heute auf eine Reihe ganz verschiedener Viskositätsmodelle zurückgreifen, die — abhängig von den strukturellen Eigenschaften der jeweiligen Flüssigkeit — mehr oder weniger gut zu ihrer Behandlung geeignet sind. Die Einsteinsche Theorie der Viskosität etwa geht von starren, kugelförmigen Teilchen aus, so daß sie insbesondere bei rigiden Spezies Anwendung findet. Die Kirkwood-Riseman-Theorie hingegen bewährt sich z. B. bei der Diskussion flexibler Ketten, wie sie u. a. in Polymerlösungen anzutreffen sind.

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

14. Adsorption aus binären Flüssigkeitsmischungen

Zusammenfassung

In der Praxis spielen Lösungsmittelmischungen eine große Rolle. Mehr und mehr werden Mischungen von Wasser und wasserverdünnbaren Lösungsmitteln eingesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen mit den dispergierten Teilchen unterscheidet sich die Zusammensetzung der Lösungsmittelmischung im Einflußbereich der Festkörperoberfläche von derjenigen der Lösung. Die Bildung einer Adsorptionsschicht kann sich in zweifacher Weise auf die Stabilität der Dispersion auswirken Einmal wird die Van-der-Waals-Wechselwirkung betroffen. Ein Beispiel wurde am Ende von Kap. 2.5 aufgeführt. Zum anderen wird sich die Verteilung der Gegen- und Coionen zwischen Stern-Schicht und diffuser Ionenschicht ändern. Dieser Prozeß ist bisher kaum untersucht worden. Ein anderes Beispiel ist die Koagulation von Latices in 2-Butoxyethanol-Wasser, wenn sich Zusammensetzung und Temperatur der binodalen Kurve nähern (Grüll and Woermann, 1997).

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

15. Konstanten, Einheiten, Hyperbelfunktionen

Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl

16. Biographische Daten bedeutender Kolloidwissenschaftler

Zusammenfassung

Die Untersuchung kolloidaler Systeme ist nicht auf Chemiker und Physiker als Kolloidwissenschaftler beschränkt; auch Mediziner, Biologen, Geologen, Mineralogen u. a. haben sich mit kolloidalen Teilchen beschäftigt (s. Wo. Ostwald). Schon im Altertum wurden kolloidwissenschaftliche Prozesse bei der Herstellung bzw. Verwendung von alkoholischen Getränken, Seifen, Tinten, Pigmenten, Farbstoffen, Beizen, Gläsern u. a. angewandt. Diese Anwendung setzte sich über las Mittelalter bis in die heutige Zeit fort, wobei immer wieder versucht wurde, Produkte zu verbessern bzw. neue und preiswertere Stoffe herzustellen (Volke, 1989; Beneke, 1995).

Klaus Beneke

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