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Charakterisierung von Tensiden

Tenside nehmen als Netzmittel, Emulgatoren, Reiniger oder Schaumbildner wichtige Funktionen beim Mischen von Flüssigkeiten oder für deren Kontakt mit festen Stoffen ein. Mit der Entwicklung, Optimierung und richtigen Dosierung von Tensiden sind grenzflächenanalytische Fragen verbunden: Wie stark verringert ein Tensid die Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung? Wie schnell wirkt es? Wie sehr verbessert es die Benetzung? Neigt es zur Schaumbildung, und wie ist entstandener Schaum beschaffen?

Unsere Tensiometer messen die Oberflächenspannung und ermitteln so die Effektivität und Effizienz von Tensiden. Sie erfassen präzise die Grenzflächenspannung und helfen so bei der Entwicklung und Optimierung von Emulsionen. Unsere dynamischen Tensiometer verschaffen Ihnen das Know-how für den Tensideinsatz bei schnellen Prozessen. Über den Grad der Benetzung geben Ihnen Analysen mit unseren Instrumenten zur Messung des Kontaktwinkels zuverlässig Auskunft. Und unsere Instrumente zur Schaumanalyse unterstützen Sie bei der Optimierung Ihres Schaum bildenden Produkts oder bei der Schaumvermeidung.

Messung der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung ist für viele Aufgaben und Prozesse eine wichtige Größe, zum Beispiel:

  • Drucken, Beschichten, Kleben
  • Benetzung bei der Reinigung
  • Galvanische Bäder
  • Brandbekämpfung
  • Pflanzenschutz
  • Dispergieren von Pulvern und Pigmenten, zum Beispiel bei Sonnenmilch, Latex, Beton

Aufgrund der hohen Oberflächenspannung von Wasser werden hydrophobe Flächen und Partikel schlecht benetzt. Tenside verringern die Oberflächenspannung und verbessern auf diese Weise die Benetzung von festen Oberflächen und die Dispergierbarkeit von Pulvern.

Unsere Tensiometer quantifizieren die Wirkung eines Tensids anhand der präzisen, halb- oder vollautomatischen Messung der Oberflächenspannung. Optische Pendant-Drop-Messungen mit unseren Instrumenten zur Tropfenkonturanalyse erlauben die Untersuchung kleinster Probenmengen.

Messung der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC)

Die Messung der CMC liefert wichtige Informationen für den Einsatz von Tensiden, zum Beispiel bei:

  • Effizienz hinsichtlich der Reinigungswirkung von Tensiden
  • Dosierungsoptimierung von Netzmitteln

Die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) ist die Konzentration, bei der die Oberfläche vollständig mit Tensidmolekülen belegt ist. Oberhalb dieser Konzentration entstehen in der Lösung Verbände aus Tensidmolekülen, die Mizellen genannt werden. Mizellen sind unter anderem für die Waschwirkung eines Tensids verantwortlich, da sie hydrophobe Substanzen einbinden und mobilisieren können. Durch die Messung der CMC kann bestimmt werden, bei welcher Tensidkonzentration die Reinigungswirkung einsetzt.

Oberhalb der CMC verringert sich die Oberflächenspannung bei weiterer Tensidzugabe nicht mehr. Für Netzmittel ist daher eine Dosierung oberhalb der CMC aus Kostengründen und ökologischen Erwägungen nicht sinnvoll. Durch eine Messung der CMC kann die Dosierung eines Tensids als Netzmittel optimiert werden.

Unser Force Tensiometer – K100 misst die CMC vollautomatisch. Durch ein Wechselspiel zwischen Zudosierung und Absaugen kann mit einer sehr breiten Konzentrationsreihe bei konstantem Volumen gemessen werden. Die CMC wird dadurch sehr präzise erfasst.

Messung der Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeiten

Messungen der Grenzflächenspannung werden oft für folgende Bereiche und Fragestellungen durchgeführt:

  • Emulsionen für Lebensmittel, Kosmetika oder Medikamente
  • Alterung hydrophober Flüssigkeiten, z.B. Transformatorenöl
  • Mikroemulsionen für tertiäre Erdölförderung, lösungsmittelfreies Entfetten, Bioverfügbarkeit hydrophober Arzneimittel

Als Emulgatoren verringern Tenside die Grenzflächenspannung zwischen nicht ineinander löslichen Phasen und verbessern so die Mischbarkeit. Sie erleichtern dabei die Bildung kleiner Tröpfchen und wirken emulsionsstabilisierend, weil sie das Zusammenfließen von Tröpfchen verlangsamen oder unterbinden.

Die Grenzflächenspannung einer Flüssigkeit gegenüber Wasser ist ein Maß für deren Hydrophobie. Deshalb wird die Messung der Grenzflächenspannung zur Qualitätskontrolle von Flüssigkeiten eingesetzt, bei denen eine Phasenvermischung mit Wasser unerwünscht ist. Ein Beispiel sind Analysen von isolierenden Transformatorenölen nach ASTM D-971.

Unsere Tensiometer messen die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten mit der Ring-, Platten- oder Stabmethode. Für geringe Probenmengen können optische Messungen mit unseren Instrumenten zur Tropfenkonturanalyse durchgeführt werden.

Unser Spinning Drop Tensiometer – SITE100 ist auf sehr geringe Grenzflächenspannungen bis hinunter zu 10-6 mN/m ausgerichtet, die zum Beispiel bei der tertiären Erdölförderung (Enhanced Oil Recovery, EOR) auftreten. Diese Messungen helfen bei der Entwicklung und Dosierung von Tensidkombinationen für Mikroemulsionen.

Messung der dynamischen Ober- und Grenzflächenspannung

Die dynamische Ober- oder Grenzflächenspannung ist beispielsweise für folgende Einsatzbereiche von Tensiden von Bedeutung:

  • Schnelle industrielle Benetzungsvorgänge wie Drucken, Lackieren, Beschichten, Kleben
  • Zerstäubbarkeit und Benetzung beim Sprühen
  • Mischen von Flüssigkeiten zur Emulgierung
  • Prüfung des Tensidgehalts von Reinigungsbädern

Bei diversen Anwendungen oder Produktionsvorgängen werden Ober- und Grenzflächen mit hoher Geschwindigkeit gebildet. Tenside benötigen für die Diffusion und Adsorption jedoch eine gewisse Zeit. Daher hängen die Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung davon ab, wie viel Zeit nach der Entstehung einer neuen Phasengrenze verstrichen ist. Entsprechend kann die Grenz- oder Oberflächenspannung bei dynamischen Vorgängen deutlich höher sein als im Ruhezustand. Dieser Umstand hat erhebliche Auswirkungen auf die richtige Auswahl und Dosierung eines Tensids. Unsere Bubble Pressure Tensiometer – BP100 und BP50 messen die dynamische Oberflächenspannung bei Oberflächenaltern von nur wenigen Millisekunden.

Die Blasendruck-Methode kann auch verwendet werden, um den Gehalt von tensidhaltigen Bädern bei Konzentrationen oberhalb der CMC zu bestimmen. In diesem Bereich ist die statische Oberflächenspannung nicht mehr konzentrationsabhängig. Für die Prüfung kann mit unserem stationären Messinstrument BP100 eine Eichkurve erstellt werden, die dann für weitere Tests mit unserem mobilen Gerät BP50 vor Ort verwendet wird.

Bei dynamischen Flüssig-flüssig-Vorgängen, wie zum Beispiel beim Emulgieren, ist der zeitabhängige Wert der Grenzflächenspannung maßgeblich. Unser Drop Volume Tensiometer – DVT50 misst diesen dynamischen Wert in einem großen Geschwindigkeitsbereich. Das Ergebnis hift Ihnen, das passende Tensid auszuwählen und richtig zu dosieren, um Ihr Produkt oder Ihren Prozess zu optimieren.

Messung des Kontaktwinkels

Die Messung des Kontaktwinkels dient der Charakterisierung von Tensiden unter anderem für folgende Fragestellungen:

  • Einfluss der Tensidzugabe auf die Benetzung
  • Benetzbarkeit von tensidhaltigen Feststoffen

Der Kontaktwinkel gibt den Grad an, mit dem sich die Benetzung einer Flüssigkeit durch die Zugabe eines Tensids verbessert. Unsere Instrumente zur Tropfenkonturanalyse messen den Kontaktwinkel je nach Anforderung mit hohem Automatisierungsgrad. Messungen bei hohen oder tiefen Temperaturen, kontrollierter Luftfeuchte oder veränderlicher Dosierdynamik simulieren flexibel die Bedingungen Ihres Benetzungsvorgangs.

Feststoffe werden häufig mit Tensiden vermengt, um die Benetzbarkeit durch Wasser zu verbessern. Ein Beispiel sind Tenside als Lösungsvermittler und –beschleuniger in Tabletten. Um die Wirkung des Tensids zu untersuchen, ist besonders die zeitliche Änderung des Kontaktwinkels wichtig. Diese Zeitabhängigkeit bildet die Geschwindigkeit ab, mit der Tenside an der Grenzfläche zur Flüssigkeit adsorbieren und lösungsverbessernd wirken.

Schaumanalyse

Zur Optimierung der Schaumbildung und –stabilität sowie der Schaumvermeidung sind Schaumanalysen für folgende Bereiche relevant:

  • Gewollte Schaumbildung: Körperpflege, Lebensmittelschäume, Flotation, Brandbekämpfung
  • Schaumvermeidung: Drucken und Beschichten, Kühl-Schmierstoffe, Flüssigkeitstransport, industrielle Reinigung

Tenside bilden häufig Schaum und werden vielfach gezielt zur Schaumerzeugung eingesetzt. Die jeweiligen Einsatzgebiete führen zu unterschiedlichen Anforderungen an die Schäumbarkeit, die Schaumstabilität, den Feuchtigkeitsgehalt und die Blasengröße des Schaums. Unser Messinstrument Dynamic Foam Analyzer – DFA100 zur Schaumanalyse verfügt über Methoden zur reproduzierbaren Schaumbildung und zeitabhängigen Schaumhöhenmessung. Mit unserem Leitfähigkeitsmodul können der Feuchtigkeitsgehalt des Schaums und dessen zeitliche Änderung auf verschiedenen Höhen einer Schaumsäule gemessen werden. Das optische Modul zur Schaumstrukturanalyse ermittelt die Blasengrößenverteilung und deren Zeitabhängigkeit, um die Beschaffenheit des Schaums gezielt zu optimieren.

Häufig hat die Schaumbildung von Tensiden unerwünschte Auswirkungen auf Prozessabläufe oder die Produktqualität. Um Schaumbildung zu unterbinden, werden häufig schaumarme Tenside verwendet und schaumhemmende Substanzen zudosiert. Der aus solchen Gemischen gebildete, schnell zerfallende Schaum kann mit dem DFA100 zuverlässig analysiert werden, um die Schaumvermeidung zu optimieren.

Oberflächenrheologische Untersuchungen

Oberflächenrheologische Untersuchungen vertiefen Ihr Wissen über Ihre Tenside in folgenden Bereichen:

  • Mobilität von Tensiden
  • Filmstabilität
  • Schaumstabilität
  • Emulsionsstabilität

Die Oberflächenrheologie untersucht die Änderung der Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung abhängig von der Geschwindigkeit und dem Grad der Änderung der Grenzflächengröße. Unsere Instrumente für die Oberflächenrheologie ermitteln Messgrößen wie die Grenzflächenelastizität (Speichermodul) und die Grenzflächenviskosität (Verlustmodul). Mit Hilfe dieser Größen können Aussagen über die Mobilität von Tensiden und die Stabilität von Flüssigkeitsfilmen sowie Tröpfchen in Emulsionen getroffen werden. Die Ergebnisse sind häufig auch mit Schaumparametern wie Drainagegeschwindigkeit oder Schaumblasenstabilität korrelierbar.

Erkenntnisse aus der Grenzflächenrheologie vertiefen das Wissen über das Verhalten von Tensiden in Emulsionen und Schäumen. Dadurch können sie zur Optimierung von Produkten und Prozessen beitragen, bei denen Tenside eine Rolle spielen.

KRÜSS Applikationsberichte

AR269: Untersuchung der schaumhemmenden Wirkung von Antischäumern in Drucklacken

Um Qualitätsprobleme durch Schaumbildung bei Drucktinten und -lacken zu vermeiden, werden schaumhemmende Mittel zudosiert. Die Effizienz zweier silikonbasierter Antischäumer wird anhand zeitabhängiger Messungen der Schaumhöhe verglichen.

AR268: Kinetische Untersuchungen zur Wirksamkeit von Tensiden

Das Schäumverhalten und die Schaumstabilität dreier geringschäumender Tenside werden charakterisiert. Grenzflächenrheologische Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Daten aus der Grenzflächenrheologie und der Schaummessung.

AR267: Schäumverhalten und Schaumstabilität wässriger Tensidlösungen

Das Schäumverhalten und die Schaumstabilität dreier geringschäumender Tenside werden charakterisiert. Grenzflächenrheologische Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Daten aus der Grenzflächenrheologie und der Schaummessung.

AR249: Characterization of liquid foams by the determination of surface rheological properties of surfactant solutions

An zwei Körperpflegeprodukten werden Schaumhöhenmessungen und Messungen des Elastizitäts- und des Viskositätsmoduls vorgenommen. Dabei kann ein Zusammenhang zwischen höherer Oberflächenelastizität und höherer Schaumstabilität aufgezeigt werden.

AR231: Bewertung des Reinigungsvermögens wässriger Tensidlösungen an verschmutzten hydrophoben Textilgeweben durch Kontaktwinkel- und Grenzflächenspannungsmessungen

Anhand eines Modellsystems wird gezeigt, wie die Waschwirkung von Mischungen aus Tensidlösungen und einem Netzhilfsmittel eingeschätzt werden kann. Die Zusammensetzung beeinflusst den Kontaktwinkel auf einer Faser und die Grenzflächenspannung gegenüber dem Modellschmutz.

AR204: Synergistic aspects of surfactant mixtures

CMC-Messungen an Mischungen des anionischen Tensids SDS und des kationischen Tensids TMAB zeigen, dass die höchste Anzahl an mizellgebundenen Molekülen bei einem Molekülanteil der Tenside von je 50% (gleich viele Teilchen beider Tenside) vorliegt.

AR202: Surface Tensiometry as a technique for the study of polymer/surfactant interactions in solution

Eine umfangreiche Analyse der Wechselwirkungsmöglichkeiten zwischen Tensiden und Polymeren in Lösung und der Aussagemöglichkeiten Verhältnis zu rheologischen Messungen.

AR201: Critical micelle concentration as a function of head group size for alkyl alcohol ethoxylates

Messungen an Alkylalkoholethoxylaten ergeben eine Korrelation der CMC mit der Länge der Ethoxylat-Kopfgruppe. Die Ergebnisse können zum Beispiel verwendet werden, um bei unbekannten Proben den Ethoxylierungsgrad anhand der CMC zu bestimmen.