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