Oberflächenspannung
Kritische Mizellbildungskonzentration
Ein wichtiges Maß für die Charakterisierung von Tensiden ist die Kritische Mizellbildungskonzentration (Critical Micelle Formation Concentration; CMC). Tenside bestehen aus einem hydrophilen "Kopf" und aus einem hydrophoben "Schwanz". Wird ein Tensid in Wasser gegeben, dann reichert es sich zunächst an der Grenzoberfläche an; der hydrophobe Teil ragt aus der Oberfläche heraus. Erst wenn an der Grenzfläche kein Raum für weitere Tensidmoleküle vorhanden ist, beginnen die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit Agglomerate zu bilden, die als "Mizellen" bezeichnet werden. Die Tensidkonzentration, bei der diese Mizellbildung einsetzt, bezeichnet man als Kritische Mizellbildungskonzentration (CMC).
Mizellen sind kugel- oder ellipsenförmige Gebilde, an deren Außenseite sich die hydrophilen "Köpfe" der Tensidmoleküle zusammenlagern, während die hydrophoben "Schwänze" nach innen ragen. Die Waschwirkung von Tensiden beruht darauf, dass hydrophobe Stoffe wie Fette oder Ruß in die Mizellen eingelagert werden können.
Standardverfahren der CMC-Messung
Beim Standardverfahren der CMC-Messung wird zunächst das reine Lösungsmittel vorgelegt und dann die Konzentration des Tensids schrittweise erhöht. Die Kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) wird mit Hilfe von Oberflächenspannungsmessungen der Tensid-Konzentrationsreihe bestimmt. Tenside zeigen einen spezifischen Kurvenverlauf der Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Konzentration. Zunächst reichern sich die Tensidmoleküle zunehmend an der Wasseroberfläche an. Dabei sinkt die Oberflächenspannung linear mit dem Logarithmus der Tensidkonzentration. Bei Erreichen der CMC, wenn also die Oberfläche mit Tensidmolekülen gesättigt ist, hat eine weitere Konzentrationserhöhung keinen nennenswerten Einfluss mehr auf die Oberflächenspannung.
- Bestimmung der kritischen Mizellbildungskonzentration
Für die Bestimmung der CMC müssen also aus den Messpunkten der Konzentrationsreihe zwei lineare Bereiche ermittelt werden. Die CMC ergibt sich dabei aus dem Schnittpunkt der Geraden für den linear konzentrationsabhängigen Bereich und für den konzentrationsunabhängigen Bereich.
Ring- und Plattenmethode sind nach DIN 53914 von 1996 ("Prüfung von Tensiden: Bestimmung der Oberflächenspannung") für die CMC-Messung als gleichwertig anerkannt. Nach unseren Erfahrungen ist jedoch in vielen Fällen die Plattenmethode eher zu empfehlen. Da bei der Ringmethode die Oberfläche infolge der Lamellendehnung ständig erneuert wird, kann es bei Messungen an großen, langsam diffundierenden Molekülen, zu denen Tenside zählen, zu leicht verfälschten Ergebnissen kommen. Bei der statischen Plattenmethode tritt dieser Fehler nicht auf. Lediglich für kationische oder ampholytische Tenside ist die Ringmethode besser geeignet.
Beim K100 und K12 wird die CMC mit Hilfe des CMC-Add-Ins der LabDesk-Software bestimmt. Die Konzentrationsreihe wird automatisch mit einem computergesteuerten Dosimaten erstellt, so dass lediglich eine Stammlösung des Tensids vorbereitet werden muss. Die Messung und deren Auswertung erfolgt automatisch.
Reverse CMC Messung
Bei der reversen CMC-Messung wird nicht das Lösungsmittel, sondern eine höher konzentrierte Lösung des Tensids vorgelegt, die dann schrittweise mit dem Lösungsmittel verdünnt wird.
Diese Methode kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn die Konzentration einer einzusetzenden Stammlösung über dem Trübungspunkt liegt, wenn also keine homogene Lösung mehr vorliegt. Eine solche Lösung lässt sich nicht homogen zudosieren, wohl aber durch Zugabe des reinen Lösungsmittels homogen verdünnen.
Außerdem kann die reverse CMC-Messung dann angewendet werden, wenn die CMC bei einer geringen Tensidkonzentration erwartet wird. Eine Standardmessung der CMC hätte dann zur Folge, dass sich gerade im interessanten Konzentrationsbereich, in dem nur geringe Volumina zudosiert werden, der Fehler bei der Dosierung am stärksten auswirkt. Bei der reversen CMC-Messung hingegen werden die kleineren Konzentrationen durch Dosierung größerer Lösungsmittelvolumina erreicht, so dass der Dosierungsfehler vernachlässigt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der reversen CMC besteht darin, dass das Dosiergerät nur mit dem reinen Lösungsmittel in Berührung kommt und daher ohne Reinigungsaufwand im Dauerbetrieb arbeiten kann. Für Routinemessungen, zum Beispiel bei der Qualitäts-kontrolle, ist die Methode der reversen CMC-Messung daher optimal geeignet.
Da das Endvolumen bei der reversen CMC ein Vielfaches des Ausgangsvolumens betragen kann, wird mit einem trichterförmigen Probengefäß gearbeitet. Wenn der Füllstand der Ausgangslösung niedrig gewählt wird, reicht das Gefäß in jedem Fall für eine vollständige Messreihe aus.
Erweiterung des Messbereichs: Extended CMC
Eine neuartige Messmethode steht mit der Methode "Extended CMC" mit dem Tensiometer K100 zur Verfügung. Die Software LabDesk steuert zwei Dosiereinheiten gleichzeitig an: Der zweite Dosimat saugt das zugeführte Flüssigkeitsvolumen nach der Durchmischung wieder ab. Auf diese Weise kann der zugängliche Konzentrationsbereich um ein Vielfaches erweitert werden.
- Spannbreite mit herkömmlicher CMC-Methoden
- Spannbreite mit erweiterter CMC-Methoden