Strukturbildung in kolloidalen Systemen

Präsentation zum Thema: "Strukturbildung in kolloidalen Systemen"—  Präsentation transkript:

1 Strukturbildung in kolloidalen Systemen
Selbstorganisationsphänomene Emulsionen

2 Emulsion Disperses mehr oder weniger instabiles System von zwei oder mehr miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten

3 Emulsionen (Betrachtung des Tröpfchendurchmessers d)
Makroemulsionen ( d > 1000 nm) Miniemulsionen (50 nm < d < 1000 nm) Mikroemulsionen (2 nm < d < 20 nm)

4 Emulsionen (Thermodynamische Betrachtung)
Makroemulsionen (metastabil bzw. instabil) Miniemulsionen (metastabil bzw. instabil) Mikroemulsionen (thermodynamisch stabil)

5 Makroemulsionen Thermodynamisch nicht stabil !
Tröpfchengröße > 1 m

6 Wie beeinflußt man Emulsionstyp ? Tropfengröße ? Energieeintrag ?
Stabilität ?

7 Miniemulsion Hohe Tensidkonzentration Hoher Energieeintrag

8 Mikroemulsion Sehr hohe Tensidkonzentration !
Kein Energieeintrag nötig ! Spontane Bildung !

9 Mikroemulsion Thermodynamisch stabile, isotrope Lösung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten, normalerweise Öl und Wasser, in Gegenwart einer oder mehrerer oberflächenaktiver Spezies.

10 Mikroemulsion (selbstorganisiertes Öl-Wasser Gemisch)
Isotropes, optisch klares System Thermodynamisch stabiles System Tröpfchengröße zwischen 2 – 20 nm (o/w , w/o , bikontinuierlich) Newtonsches Fließverhalten Geringe Grenzflächenspannung Reversibles Temperaturverhalten

11 Spontane Bildung einer Mikroemulsion
Das entscheidende Kriterium für die Bildung einer Mikroemulsion ist, dass die spontane Krümmung des Tensidfilms H0 , der Krümmung der Tröpfchen H entspricht!  H0 = H

12 Ternäres System Wasser / Öl / Niotensid

13 Winsor - Phasen Typ I : zwei entmischte Phasen;
mit einer o/w Mikroemulsion Typ II: zwei entmischte Phasen; mit einer w/o Mikroemulsion Typ III: drei entmischte Phasen; mit einer bikontinuierlichen Phase mit Domänenstruktur

14 Quaternäres System Wasser / Öl / Cotensid / Tensid
Cotensid: Langkettiger Alkohol

15

16 Wie kann die spontane Krümmung beeinflußt werden ?
Durch die Volumenverhältnisse Durch die Wahl des Tensidmoleküls Durch die Temperatur (nur bei Niotensiden) Durch Salzzusatz (nur bei ionischen Tensiden) Durch Zugabe eines Cotensids Durch Zugabe von Polymeren

17 Polymermodifizierte Mikroemulsionen

18 PDADMAC-modified microemulsions
+ - + + - + - Oppositely charged PDADMAC can be incorporated !!  PDADMAC increase the stability of the surfactant film !! + + + + - - + + - - - + + - + + - + - + - + + + - - + + - - + + - - + + + - + - - - -

19 PEL-induced formation of a bicontinuous phase channel
C. Note, J. Ruffin, B. Tiersch, J. Koetz; J Dispers Sci Technol 28 (2007) 1,

20 Moderate polymer-surfactant interactions lead to the formation of a phase channel
Formation of a bicontinuos microemulsion

21 M. Fechner, M. Kramer, E. Kleinpeter, J
M. Fechner, M. Kramer, E. Kleinpeter, J. Koetz; Colloid Polymer Sci 287 (2009),

22 Polyampholyte-modified microemulsions:
By varying the pH value of the polyampholyte the polymer surfactant interactions can be tuned: the location of the polyampholyte inside the droplets can be tuned the droplet-droplet interactions can be changed

23 Polyampholyte-modified microemulsions:
By varying the hydrophobicity of the polyampholyte and the temperature the polymer surfactant interactions can be tuned:  the L2 phase can be increased (boosting effect)  bicontinuous microemulsions can be formed

24 Pentanol / Toluene Water SB
0,0 1,0 0,1 Water 0,9 5 weight% PDADMAC 2 10 weight% PDADMAC 2 0,2 20 weight% PDADMAC 2 0,8 0,3 0,7 0,4 0,6 0,5 0,5 0,6 0,4 0,7 0,3 0,8 0,2 0,9 0,1 1,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Water SB J. Koetz, C. Günther, S. Kosmella, E. Kleinpeter, G. Wolf ; Progress in Colloid & Polymer Science 122 (2003) 27-36

25 Xylene/Pentanol 0,0 1,0 0,2 0,8 0,4 0,6 0,6 0,4 0,8 0,2 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 10% PEG in Water SDS

26 Anwendungen für Mikroemulsionen
Als Reaktorraum - für chemische Umsetzungen - für Polymerisationen - für die Nanopartikelbildung In Trennprozessen In Automotoren In der Wirkstoffapplikation In der Erdölförderung

27 Erdölgewinnung Primäre Förderung Sekundäre Förderung
Tertiäre Förderung - CO2 – Fluten - Polymer – Fluten - Tensid – Fluten - Micellar – Fluten ca 30% !!

28 Nanokristalline Materialien hergestellt in Mikroemulsionen
Metalle: Au, Pt, Pd, BaSO4 Hydroxyapatit Halbleiter: CdS, CdSe, ZnO