erzeugen, regulieren, zerstren prfen und bewerten

Schaum

Dez

embe

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15

2

*Mitglieder:Dr. Wolfgang Brennich,Zschimmer & Schwarz GmbH & Co. KG, 56112 Lahnstein

Dr. Britta Jakobs-Sauter,** 45764 Marl

Rolf-Dieter Kahl,** 67056 Ludwigshafen

Drs. Hamke Meijer,**46422 Emmerich

Dr. Dennis Miller,Clariant Produkte (Deutschland) GmbH,65926 Frankfurt

Dr. Renke Rommerskirchen, Sasol Germany GmbH, 45772 Marl

Dr. Natascha Schelero,Clariant Produkte (Deutschland) GmbH, 65926 Frankfurt

Dr. Kati Schmidt,BASF SE, 67056 Ludwigshafen

Dr. Jrg Andreas Schrter,Ecogreen Oleochemicals GmbH,06861 Dessau-Rolau

Dr. Wolfgang Spiegler,**67056 Ludwigshafen

Dr. Michael Stapels,KaoChemicals GmbH, 46446 Emmerich

Dr. Rainer Traber,**CH-4002 Basel

Dr. Joachim Venzmer, Evonik Nutrition & Care GmbH, 45127 Essen

** ehemalige Mitglieder der Arbeitsgruppe

Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe

Grenzflchenaktive Substanzen*

3

Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe Grenzflchenaktive Substanzen"

Inhalt1. Ziele der Broschre 4

2. Theoretische Grundlagen 5

3. Tenside 12

4. Entschumer 15

5. Schaum in der Praxis 19

5.1 Stark schumende Systeme 19

Flssige Krperreinigungsmittel 19

Haarfestigerschaum 20

Rasierschaum 21

Handgeschirrsplmittel 22

Schaumreiniger fr harte Oberflchen 22

Beschichtung textiler Flchen 24

Flotation 25

Lschschaum 26

Lebensmittel 27

5.2 Schwach schumende Systeme 28

Waschmittel 28

Automatische Geschirrreinigung 30

Industrielle Flaschenwsche 31

Reiniger fr den gewerblichen Bereich 32

5.3 Schaumfreie Systeme 33

Herstellung von Papierfasern 34

Faserherstellung aus Holz 34

Faserherstellung aus Altpapier 34

Herstellung der wssrigen Fasersuspension (Pulpe) 35

Papierherstellung 35

Textilvorbehandlung 36

Textilfrbung 38

Textildruck und Textilausrstung 39

Metallbearbeitung 40

Wssrige Lacksysteme 41

Zuckerherstellung 42

6. Schaumprfmethoden 43

7. Literatur 51

8. Glossar 52

4

Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe Grenzflchenaktive Substanzen"

1. Ziele der Broschre

In vielen Prozessen, sei es im Haushalt oder im

industriellen Bereich, spielt Schaum eine wichti-

ge Rolle. Dabei kann das Entstehen von Schaum

erwnscht sein und wie bei der Bierblume

oder auch beim Haarshampoo ein charakteri-

stisches Produktmerkmal darstellen. Vielfach

leistet der Schaum auch einen wichtigen Bei -

trag zur Performance der Produkte, so bei-

spielsweise in Wasch- und Reinigungsmitteln.

In anderen Fllen dagegen wie etwa bei der

Textil- und Papierherstellung strt Schaum

ganz empfindlich und muss daher vollstndig

und sicher vermieden werden.

Schaum wird also je nach Bedarf mglichst

gezielt erzeugt, gesteuert oder zerstrt, seine

Qualitten und Eigenschaften werden den

Anforderungen entsprechend eingestellt. Dies

erffnet in zahlreichen Anwendungsgebieten

und Industrien, in denen Grenzflcheneffekte

und grenzflchenaktive Substanzen von Be -

deutung sind, vielfltige Mglichkeiten zur

Entwicklung neuer und verbesserter Produkte

und Herstellverfahren. Hierzu ist zum einen ein

grundlegendes Verstndnis der physikalischen

und molekularen Vorgnge der Schaumbildung

und des Schaumverhaltens erforderlich, zum

anderen aber auch die Fhigkeit, anwendungs-

orientierte Fragestellungen mit Hilfe geeigneter

Labormethoden untersuchen und mglichst

wirklichkeitsnah simulieren zu knnen. Nicht

zuletzt kommt hier der Auswahl geeigneter

Schaumprfmethoden eine wichtige Rolle zu.

Die Komplexitt des Themas Schaum mit sei-

nen vielfltigen Ausprgungen hat inzwischen

jedoch zu einer kaum noch berschaubaren

Anzahl von Prfmethoden gefhrt, die zwar oft

hnliche Aussagen liefern, aber nur bedingt

vergleichbar sind. Eine Bestandsaufnahme und

ein Vergleich der in den verschiedenen Arbeits-

gebieten verwendeten Prfmethoden scheint

uns daher hilfreich zu sein.

Standardisierte Prfmethoden erleichtern es,

Produkte und deren Eigenschaften in definierter

Weise zu charakterisieren und die Daten indu-

strieweit effizient zu kommunizieren. Die stndi-

ge Weiterentwicklung der Methoden und die

fortschreitende Automatisierung der Labor -

technik machen es daher notwendig, den Be -

darf an einer weiteren Standardisierung und

Normung von Prfmethoden frhzeitig zu erken-

nen und ihm Rechnung zu tragen.

Ziel dieser Broschre ist es, das Phnomen

Schaum sowohl theoretisch als auch anwen-

dungsbezogen zu beschreiben und die Anfor -

der ungen und Problemlsungen in unterschied-

lichen Anwendungssegmenten anschaulich

darzustellen. Sie richtet sich daher in erster

Linie an Produktentwickler und Anwendungs -

tech niker im Labor. Aber auch Verfahrens -

technikern, die Schaumphnomene bei der

Ausarbeitung und Steuerung von Prozessen

zu bercksichtigen haben, und Praktikern im

Betrieb, die mglicherweise bei Prozess -

strungen mit Schaumproblemen konfrontiert

werden, kann sie wertvolle Hilfestellung bieten.

Nach einer theoretischen Einfhrung in das

Thema Schaum werden Eigenschaften und

Verwendung sowohl von Tensiden als auch

Entschumern beschrieben. Dem gezielten Ein -

satz dieser grenzflchenaktiven Substanzen

5

Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe Grenzflchenaktive Substanzen"

kommt bei der Schaumerzeugung und -kon -

trolle ebenso wie bei der Einstellung spezieller

Schaum eigenschaften eine entscheidende

Rolle zu.

Es folgt eine Beschreibung des Phnomens

Schaum und seiner vielfltigen Facetten

anhand von Beispielen aus der Praxis. Sie rei-

chen von stark schumenden Systemen, in

denen Schaum von ganz spezieller Qualitt ver-

langt wird, ber schwach schumende Systeme

mit gezielt reguliertem und niedrig gehaltenem

Schaumvolumen bis hin zu schaumfreien

Systemen, in denen Schaum unerwnscht ist

und deshalb vermieden oder zerstrt werden

muss.

Nach einer Diskussion allgemeiner Aspekte zu

Schaumprfmethoden folgt im abschlieenden

Kapitel eine zusammenfassende Darstellung der

in den einzelnen Anwendungsgebieten gngigen

Prfmethoden. Die in der Praxis in groer Zahl

fr spezielle anwendungstechnische Frage stel -

lungen genutzten Tests konnten in der Bro -

schre nicht bercksichtigt werden, weil dies

den vorgesehenen Rahmen gesprengt htte.

Auerdem musste die Thematik auf flssige

Schume begrenzt bleiben. Wssrige Schume

stehen dabei, ihrer praktischen Bedeutung ent-

sprechend, im Vordergrund.

EinleitungSchaum kann als eine Dispersion von Gas in

einer Flssigkeit definiert werden, in der das

Volumen des Gases berwiegt. Schume sind

thermodynamisch nicht stabil und zerfallen all-

mhlich. Die Zeitskala, in der dies geschieht,

variiert stark: Kurzlebige, durch kleine grenzfl-

chenaktive Molekle stabilisierte Schume

knnen in wenigen Sekunden zerfallen.

Schume, die durch Polymere oder Tenside

stabilisiert werden, bestehen ber Stunden

oder sogar Tage. Bei der Mehrzahl der aus der

Praxis bekannten Schume handelt es sich um

wssrige Systeme.

SchaumstrukturEs gibt zwei typische Schaumstrukturen, die als

Grenzflle betrachtet werden knnen.

Kugelschaum Diese Struktur mit kugelfrmigen Gasblasen

ist typisch fr Schume mit einem hohen

Flssigkeitsgehalt und liegt gewhnlich un -

mittelbar nach der Schaumbildung vor.

PolyederschaumHier werden polyedrische Gasblasen von

dnnen Flssigkeitsfilmen getrennt. Diese

Struktur, die in Abb. 1 gezeigt wird, bildet

sich aus, wenn der Schaum entwssert ist.

Das Volumen der Flssigkeit kann dabei sehr

klein werden. Dabei treffen drei Filmlamellen

in einem Winkel von 120 aufeinander und

bilden den so genannten Plateaukanal

(benannt nach dem belgischen Physiker

Joseph Plateau, 1801-1883).

2. Theoretische Grundlagen

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Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe Grenzflchenaktive Substanzen"

Die Drainage der Flssigkeit verursacht einen

allmhlichen bergang vom Kugelschaum in

den Polyederschaum. Dnne Filme, wie zu

beobachten in Schumen und Seifenblasen,

weisen hufig Interferenzfarben auf. Dies zeigt,

dass sie in ihrer Dicke vergleichbar sind mit der

Wellenlnge des Lichts. Bei dnneren Filmen

sind diese Farben nicht zu beobachten.

Abb. 2 zeigt beide Strukturen in einer

Schaumschicht. In viskosen Flssigkeiten ver-

luft die Drainage langsam und begnstigt dort

die Ausbildung der Kugelschaumstruktur.

Abb. 1

Schaumstruktur (Polyederschaum);

Foto: Clariant

Polyederschaum

Kugelschaum

Abb. 2

Struktur einer Schaumschicht

7

Schaumbroschre TEGEWA Arbeitsgruppe Grenzflchenaktive Substanzen"

Schaumbildung und -zerstrung

Die Fhigkeit des Schaums, sich zu bilden, wird

als Schaumbildungs- oder Schumvermgen

bezeichnet. Dies zeigt die kurzfristige Stabilitt

dnner Filme. Schaumbildung bedeutet auch

die Bildung einer neuen Oberflche. Die dafr

bentigte Energie steht in Zusammenhang mit

der Oberflchenspannung. Die dynamische

Oberflchenspannung ist, eher als die stati