Strukturbildung in kolloidalen Systemen Selbstorganisationsphänomene Emulsionen

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

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

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

Makroemulsionen Thermodynamisch nicht stabil ! Tröpfchengröße > 1 m

Wie beeinflußt man Emulsionstyp ? Tropfengröße ? Energieeintrag ? Stabilität ?

Miniemulsion Hohe Tensidkonzentration Hoher Energieeintrag

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

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

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

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

Ternäres System Wasser / Öl / Niotensid

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

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

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

Polymermodifizierte Mikroemulsionen

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

PEL-induced formation of a bicontinuous phase channel C. Note, J. Ruffin, B. Tiersch, J. Koetz; J Dispers Sci Technol 28 (2007) 1, 155-164

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

M. Fechner, M. Kramer, E. Kleinpeter, J M. Fechner, M. Kramer, E. Kleinpeter, J. Koetz; Colloid Polymer Sci 287 (2009), 1145-1153.

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

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

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

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

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

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

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