Definition: Emulsion
Unter einer Emulsion verstehen wir ein fein verteiltes Gemisch von zwei verschiedenen normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne Entmischung.
Meistens handelt es sich bei Emulsionen um milchige und trübe Flüssigkeiten.
Die eine Flüssigkeit liegt dabei in kleinen Tröpfchen in der anderen Flüssigkeit vor.
Emulgatoren (Tenside) erleichtern einerseits die Tröpfchenbildung und wirken andererseits einer Entmischung entgegen.
Die tröpfchenbildende Flüssigkeit heißt disperse (innere) Phase.
Die Phase in der die Tröpfchen schwimmen, wird hingegen kontinuierliche (äußere) Phase genannt.
Beispiele für Emulsionen sind: Milch, Mayonnaise und zahlreiche Kosmetika.
Hydrophie und lipophile Flüssigkeiten:
Flüssigkeiten kann man darin unterscheiden, ob sie sich besonders gut mit Wasser (hydrophil) oder mit Öl (liphophil) mischen lassen.
a) hydrophile Flüssigkeiten:
Hydrophile Flüssigkeiten lassen sich besonders gut mit Wasser mischen, indem sie Wasserstoffbrücken ausbilden.
b) lipophile Flüssigkeiten:
Lipophile Flüssigkeiten lassen sich besonders gut mit Öl mischen indem sie zwischenmolekulare Van-der-Waals-Kräfte (kurzlebige Dipole) ausbilden.
Mischt man hingegen Öl mit Wasser bildet sich zwischen den beiden Phasen eine Grenzflächenspannung, die sowohl die Bildung von Wasserstoffbrücken als auch Van-der-Waals-Kräfte verhindert.
Um eine Emulsion hier überhaupt zu ermöglichen braucht es Tenside.
Diese Substanzen sind in der Lage die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit bzw. die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabzusetzen.
Tenside:
Tenside helfen uns die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit bzw. die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten so zu senken, damit eine Emulsion entstehen kann.
Weil Tenside sowohl einen hydrophilen (polaren) als lipophilen (unpolaren) Anteil haben, ermöglichen sie eine Durchmischung von Wasser und Öl.
Während der polare Anteil Wasserstoffbrücken ausbilden kann, kann der unpolare Anteil Van-der-Waals-Kräfte bilden.
In anderen Worten: Ein Teil des Tensids bindet sich ans Öl, während sich der andere Teil ans Wasser bindet.
Ein Beispiel für Tenside sind z.B. Seifen.
Ein Anwendungsbeispiel für Tenside wie Seifen sind Waschmittel.
Diese Tenside ermöglichen es z.B. das Ölflecken sich mit dem Wasser binden können und damit aus der Kleidung herausgewaschen werden können.
Physikalische Größen:
Emulsionen können wir hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in folgenden drei Ausprägungen definieren: Phasenvolumenverhältnis, die mittlere Teilchengröße und die Stabilität von Emulsionen.
a) Phasenvolumenverhältnis:
Das Phasenvolumenverhältnis bestimmt, ob die Eigenschaften der Emulsion primär durch die innere oder äußere Phase festgelegt werden.
Bei einem Volumensverhältnis von 70% äußere Phase zu 30% innere Phase bestimmt erstere die Eigenschaften der Emulsion.
Kommt es durch einen Temperaturanstieg zu einem steigenden Volumensverhältnis der inneren Phase dann ist eine Phaseninversion die logische Folge.
Die innere Phase bestimmt jetzt die Eigenschaften der Emulsion, indem die Wasserstoffbrücken hinsichtlich des hydrophilen Anteils geschwächt und die Van-der-Waals-Bindungen der lipophilen Anteile gestärkt werden.
b) Tröpfchengröße:
Die Größe der Tröpfchen innerhalb einer Emulsion kann variieren.
Der mittlere Teilchendurchmesser (Dm) ist im Bereich zwischen 100 Nanometer (nm) und 1 Millimeter (mm) definiert.
Je größer der mittlere Teilchendurchmesser und je breiter die Teilchengrößenverteilung ist, desto stärker ist milchig-weiße Trübung der Emulsion ausgeprägt.
Wir unterscheiden folgende Tröpfchendurchmesser:
– Makroemulsionen: Hier ist der Tröpfchendurchmesser größer als 1 Mikrometer.
– Miniemulsion: Hier ist der Tröpfchendurchmesser 1 Mikrometer oder kleiner.
– Nanomemulsion: Hier ist der Tröpfchendurchmesser kleiner als 100 Nanomemeter.
c) Stabilität von Emulsionen:
Grundsätzlich sind Emulsionen thermodynamisch instabil.
Die disperse Phase ist darauf ausgerichtet, sich durch Koaleszenz zu größeren Bereichen zu vereinigen, indem die Grenzflächenenergie zwischen zwei Phasen verringert wird.
Faktoren, die die Stabilität von Emulsionen beeinflussen sind die Zeit, der Temperaturbereich und der pH-Bereich.
Der Zerfall von Emulsionen kann man in einzelne Phasen unterteilen, die aber oft gleichzeitig ablaufen.
1. Phase: stabile Emulsionen – Fettröpfchen (innere Phase) sind mit Wasser (äußere Phase) durchmischt.
2. Phase: Aufrahmung/Sedimentation – durch die Gravitationskraft erfolgt die Trennung der gemischten Phasen in spezifisch leichtere und schwerere.
3. Phase: Oswald-Reifung (Ripening) – selbst ablaufender Prozess
4. Phase: Aggregation – die Fetttröpfchen bilden jetzt Aggregate, die dazu führen dass der Teilchendurchmesser vergrößert wird und die Sedimentationsgeschwindigkeit dadurch zunimmt.
5. Phase: Koaleszenz – Die Fetttröpfchen vereinigen sich, was zu einem Brechen der Emulsion führen kann.
Herstellung von Emulsionen:
Wie oben beschrieben benötigen wir für die Herstellung einer Emulsion Tenside, mit deren Hilfe wir die Grenzflächenspannung der enthaltenen Phasen vermindern.
Die Tenside verhindern dabei das Zusammenfließen der Tröpfchen.
Während synthetische Tenside diese Tröpfchen in wenigen Millisekunden umschließen, benötigen größere Tenside dazu Minuten bis zu einer halben Stunden.
Die größeren Tenside haben aber den Vorteil, dass sie die Viskosität erhöhen.
Dadurch tragen sie zur Stabilisierung der Emulsion bei.
Ein wichtiges Kriterium in der Auswahl des richtigen Tensids ist die Berücksichtigung von dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Feststoffstabilisatoren:
Zusätzlich besteht die Möglichkeit durch die Zugabe von Feststoffstabilisatoren eine Emulsion zu stabilisieren.
Diese Stabilisatoren bilden einen mechanisch stabilen Feststofffilm um die innere Phase.
Benannt nach ihrem Entdecker S. U. Pickering werden sie auch Pickering-Emulsionen genannt.
Eigenschaften:
Diese Feststoffstabilisatoren sollten folgende Eigenschaften aufweisen:
– die Teilchen sollten eine möglichst raue Oberfläche aufweisen
– der Feststoff sollte ein feinteiliges Pulver sein
– die Feststoffteilchen sollten möglichst dicht gepackt sein
– für den Phasenkontaktiwinkel zwischen Wasser und Öl an der Teilchenoberfläche muss gelten 0° Durchschnitt < 180°. Damit wird vermieden, dass die Teilchen komplett in die Wasser- oder in die Ölphase gezogen werden.
Bei einem Phasenkontaktwinkel von weniger als 90° entstehen Öl in Wasser Emulsionen (O/W-Emulsionen), ist der Winkel größer als 90° entstehen meist Wasser in Öl Emulsionen (W/O-Emulsionen).
Ist der Phasenwinkel genau 90°, erfolgt keine Wölbung in der Oberfläche einer Flüssigkeit (keine Krümmung des Flüssigkeitsmeniskus).
Vorteile einer feststoffstablilisierten Emulsion:
Wird einer Emulsion feststoffstabilisiert ergeben sich folgende Vorteile:
a) starke Senkung der Tensidkonzentration
b) die Emulsion ist resistenter gegenüber Änderungen des chemischen Milieus z.B. Säurekonzentration, pH-Wert, etc.
c) die Auswahl an möglichen Emulgatoren ist größer
d) Änderung der Phasenlage gegenüber der herkömmlichen Emulsion ist möglich
e) Veränderung der rheologischen Eigenschaften (Verformungs- und Fließverhalten) von Emulsionen
f) erhöhte Langzeitstabilität z.B. hohe Koaleszenzstablilität von Emulsionen mit größeren Öltropfen
g) Erhöhung der Gefrier-Tau-Stabilität
h) einstellbare Verdaulichkeit durch den Magendarm-Trakt durch Partikel mit eingestellter Enzymresistenz
Verfahren zur Herstellung:
Für die Herstellung der Emulgierung unterscheiden wir 4 Methoden:
a) Rotor-Stator-Systeme:
Diese Systeme funktionieren nach dem Prinzip, dass sich ein Bauteil bewegt und ein Bauteil ruht.
Beispiele: Fantaschale, Rührwerke, Schüttler, Vibrationsmischer, Emulgierzentrifugen, etc.
b) Strömungsmechanische Mittel:
Hier sind Hochdruckhomonenisatoren zu nennen, die aus einer Pumpe und Blenden oder Ventilen bestehen.
Weitere Beispiele sind Prallplatten und Wirbelkammern.
c) Ultraschallgeneratoren:
Hier zerkleinert ein Ultraschallgeber durch hochfrequente mechanische Schwingungen die Tropfen, indem er eine Sonotrode in Resonanzschwingungen versetzt.
Durch die Ultraschallkavitation werden hohe Scherkräfte sowie Mikroturbulenzen in der Flüssigkeit erzeugt.
Dadurch werden die Tropfen der zwei Phasen (Wasser- und Ölphase) zerkleinert und zu einer Phase vermischt.
d) Mikrostrukturierte Systeme:
Mittels Mikroporen in Membranen oder mittels Mikrokanälen können polydisperse oder monodisperse Öltropfen Partikel mit einstellbarem Größenbereich erzeugt werden.
Für die Tropfengröße und die Tropfengrößenverteilung sind dabei folgende Parameter von Bedeutung:
– Zusammensetzung der kontinuierlichen Phase (Emulgatortyp, Dichte, Viskosität)
– Grenzflächenspannung zwischen den Phasen
Volumenstrom der kontinuierlichen Phase bzw. Wandschubspannung
– Membranmaterial (Porendurchmesser, Hydrophilie, Porenform)
– Dichte, Viskosität und Flux der Ölphase
Arten von Emulsionen:
Hinsichtlich der Arten können wir zwischen Mikroemulsionen, Multiple Emulsionen und Fotoemulsionen unterscheiden:
a) Mikroemulsionen:
Unter Mikroemulsionen versteht man Wasser-Öl-Gemische, die im Gegensatz zu anderen Emulsionen thermodynamisch stabil sind.
Ihr Vorteil liegt in ihrer optischen Transparenz und dass sie mit einem geringen Energieaufwand hergestellt werden können.
b) Multiple Emulsionen:
Multiple Emulsionen bestehen aus Tropfen in Tropfen.
W1/O/W2 und O1/W/O2 werden auch als Doppelemulsionen bezeichnet.
W1/O1/W2/O2/W3- oder O1/W1/O2/W2-Systeme hingegen als multiple Emulsionen.
c) Fotoemulsionen:
In der Fotografie bezeichnet man die auf einen Schichtträger aufgebrachte lichtempfindliche Schicht gemeinhin als Fotoemulsion.
Hierbei handelt es sich aber um keine Emulsion, sondern um eine erstarrte Suspension.