Dokument: Mechanismen der Catastrophic Phase Inversion in Emulsionen aus Polydimethylsiloxanen und Wasser

Titel:	Mechanismen der Catastrophic Phase Inversion in Emulsionen aus Polydimethylsiloxanen und Wasser
Weiterer Titel:	Mechanisms of Catastrophic Phase Inversion in Emulsions of Polydimethylsiloxanes and Water
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20313
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120120-094510-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schneider, Alice [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,70 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.01.2012 / geändert 18.01.2012
Beitragende:	Prof. Dr. Seidel, Claus A. M. [Gutachter] Prof. Dr. von Rybinski, Wolfgang [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Die Herstellung von Emulsionen durch Phaseninversion ist von großem Interesse für industrielle Anwendungen, da die Phaseninversion eine Me-thode darstellt, die ein Emulgieren auch dann möglich macht, wenn konventionelle Methoden nicht anwendbar sind. Es wurden Modellsysteme entwickelt, an denen Untersuchungen möglich waren, die an einem in der Praxis eingesetzten System aufgrund zu hoher Viskosität nicht durchführbar waren. Jedes Modellsystem bestand aus ei-nem Alkoholethoxylat, Silikonöl und Wasser. Die entwickelten Modellsys-teme wiesen ein Emulgierverhalten auf, welches mit dem in der Praxis ein-gesetzten System vergleichbar ist. Es waren also Analogieschlüsse für die Ergebnisse, die mit dem Modellsystem erzielt wurden auf das Praxissystem möglich. Das Verhalten der eingesetzten Tenside wurde in binären Tensid-Wasser-Randsystemen untersucht hinsichtlich des Vermögens, die Oberflächen-spannung zu erniedrigen, der Mizellbildung und des Auftretens von flüssig-kristallinen Phasen. Die Tensid-Öl-Randsysteme wurden in Bezug auf deren Struktur untersucht. In Tensid-Öl-Wasser-Systemen wurde die Fähigkeit der Alkoholethoxylate analysiert, die Grenzflächenspannung zwischen der Öl- und der Wasser-Phase zu erniedrigen. Die Catastrophic Phase Inversion wurde im binären Öl-Wasser-System und in den ternären Tensid-Öl-Wasser-Systemen beobachtet und deren Verlauf analysiert. Die Öl-Phase und das Tensid wurden vordispergiert. Unter fort-währendem Rühren wurde dem System Wasser mit definierter Flussrate hinzugefügt. Die sich im Laufe der Catastrophic Inversion bildenden Emul-sionen wurden durch Leitfähigkeits- und Viskositätsmessungen sowie durch mikroskopische Untersuchungen regelmäßig charakterisiert. Es zeigte sich, dass in der Regel die Leitfähigkeit sprunghaft anstieg im Mo-ment der Phaseninversion, einige Ausnahmen zeigten sich dabei für Syste-me mit besonders hohen Tensidkonzentrationen. Die Viskosität stieg eben-falls sprunghaft an im Moment der Phaseninversion. Außerdem zeigten sich für einige Systeme Viskositäts-Maxima vor der Phaseninversion in der multiplen O/W/O-Emulsion. Die erhöhten Viskositäten konnten auf Wasserdomänen mit flüssigkristalliner Struktur zurückgeführt werden. Die Phaseninversion fand in Abhängigkeit der Struktur und der Konzentra-tion des eingesetzten Tensids bei unterschiedlichen charakteristischen Wasserkonzentrationen statt. Für höhere Tensidkonzentrationen bei-spielsweise fand die Phaseninversion bei geringeren Wasserkonzentratio-nen statt. Durch die Catastrophic Inversion entstanden O/W-Emulsionen mit mehr-modalen Partikelgrößenverteilungskurven, wobei die mittlere Teilchengrö-ße mit der Lage der Phaseninversion korrelierte. Die O/W-Emulsionen waren stabil gegenüber Verdünnen mit Wasser, Zugabe von Tensid und Öl sowie dem Einwirken von Scherkräften. Die Catastrophic Inversion wurde durch eine Veränderung der Temperatur dahingehend beeinflusst, dass deren Lage bei erhöhter Temperatur der eines hydrophoberen Tensids entsprach als bei niedriger Temperatur, was durch die verminderte Hydratisierung der Tenside bei höheren Temperaturen erklärbar ist. Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit wurde ein Mechanismus für die Ca-tastrophic Inversion erarbeitet, der eine Erweiterung des bisher angenom-menen Mechanismus darstellt. Für hydrophile Tenside lassen sich folgende Stufen beschreiben: 1. Tensid-in-Öl-Emulsion oder -Dispersion 2. Wasser-in-Öl-Emulsion 3. Flüssigkristall-in-Öl-Dispersion 4. Multiple Öl-in-Wasser-in-Öl-Emulsion 5. Öl-in-Wasser-Emulsion nach der Phaseninversion Die mehrmodalen Größenverteilungskurven der Öl-Tropfen in der durch Catastrophic Inversion hergestellten O/W-Emulsionen lassen sich nun durch die unterschiedlichen Historien der Tropfen erklären. Diese können aus der inneren oder der äußeren Phase der vor der Phaseninversion auf-tretenden multiplen O/W/O-Emulsion hervorgehen. Die inneren Tropfen können während der Inversion unverändert freigesetzt werden, oder neben der Freisetzung weiter disperigert werden. Des Weiteren können flüssigkristalline Phasen die Entstehung und Stabilisierung der Öl-Tropfen mehr oder weniger beeinflussen. Analogien zur ebenfalls in der Praxis eingesetzten PIT-Methode (Phase In-version Temperature) wurden für die Herstellung von O/W-Emulsionen mittels Catastrophic Inversion gefunden. So sind die Emulsionen besonders stabil, was auf das Auftreten von flüssigkristallinen Phasen vor oder/und während der Phaseninversion zurückführbar ist. Der exakte Mechanismus ist in beiden Fällen noch nicht aufgeklärt. In die molekulare Betrachtung gingen die Öllöslichkeit der Tenside, deren Struktur und Orientierung sowie Dimensionen in den Grenzflächen und die Krümmung der Öl-Wasser-Grenzfläche ein. Diese Effekte beeinflussen ne-ben den Volumenverhältnissen der Emulsionen und den auftretenden flüs-sigkristallinen Phasen maßgeblich den Ablauf und das Ergebnis der Catast-rophic Inversion. Zuletzt wurden die Eigenschaften des in der Praxis eingesetzten Systems analysiert, welches durch Catastrophic Inversion hergestellt wird. Es stellte sich heraus, dass besonders kleine Tröpfchen in der hergestellten O/W-Emulsion auftraten, wenn die Wasserzufuhr zur T/O-Emulsion langsam und die Rührgeschwindigkeit hoch waren. Die Abhängigkeiten von Tensidstruktur und -konzentration waren analog zu den Ergebnissen aus den Untersuchungen des Modellsystems. The production of emulsions by the use of phase inversion is of great interest for industrial applications, as phase inversion exhibits a method that may allow emulsification, even if conventional techniques fail. Model systems were developed that facilitated examinations, which could not be carried out with the system that is used in practice due to its high viscosity. Every model system consisted of an alcohol ethoxylate, silicone oil and water. The developed model systems possessed an emulsifying behaviour comparable to the system used in practice. Therefore it was possible to draw conclusions by analogy from the results achieved with the model system that could be converted to the system used in practice. The behaviour of the used surfactants was investigated according to the ability of lowering the surface tension, formation of micelles and the ap-pearance of liquid-crystalline phases. The surfactant-oil bounding system was explored in matters of its structure. In surfactant-oil-water-systems the ability of the alcohol ethoxylates of lowering the interfacial tension between the oil and the water phase was investigated. The catastrophic phase inversion was observed in binary oil-water as well as in ternary surfactant-oil-water systems and its course was studied. The oil phase and the surfactant were predispersed. Under continued stirring water was added to the system with a defined flux. The emulsions generated during catastrophic inversion were characterised on a regular basis via conductivity and viscosity measurements as well as via microscopical evaluation. It turned out, that in general the conductivity escalated at the moment of phase inversion, a few exceptions were shown by systems with high surfac-tant concentrations. The viscosity also escalated at the moment of phase inversion. Furthermore some systems revealed a viscosity peak before phase inversion in the multiple O/W/W-emulsion. The increased viscosities could be linked to water domains with liquid crystalline structures. The phase inversion took place at different characteristic water concentra-tions depending on the structure and the concentration of the surfactant. For higher surfactant concentrations for instance the phase inversion oc-curred at lower water concentrations. The O/W-emulsions produced by catastrophic inversion showed multiple peaks in their particle size distribution curves, the average particle size was correlated to the location of phase inversion. The O/W-emulsions were stable against dilution with water, addition of oil and surfactant as well as the impact of shearing forces. The catastrophic inversion was influenced by a change of temperature to the effect that the location of the phase inversion at a higher temperature corresponded to a more hydrophilic surfactant at a lower temperature, which can be explained by a lowered hydration of the surfactants at higher temperatures. With the help of the results of this work a mechanism for catastrophic in-version was worked out, that depicts an extension of the mechanism that was assumed to take place up to now. For hydrophilic surfactants the fol-lowing stages can be specified: 1. surfactant-in-oil-emulsion or –dispersion 2. water-in-oil-emulsion 3. liquid crystal-in-oil-emulsion 4. multiple oil-in-water-in-oil-emulsion 5. oil-in-water-emulsion after phase inversion The fact that the particle size distribution curves of the O/W-emulsions produced by catastrophic inversion show multiple peaks can now be ex-plained by different histories of the drops. Those can arise from the inner or outer phase of the multiple O/W/O-emulsion that appears before phase inversion. The inner drops can either be released unmodified during the inversion or they can be dispersed in addition to the release. Furthermore liquid crystalline structures can influence the formation and stabilisation more or less. Analogies to the PIT-method (Phase Inversion Temperature) were found for the production of O/W-emulsions via catastrophic inversion. The emulsions are particularly stable, which can be attributed to the appearance of liquid crystalline phases before and/or during phase inversion. The exact mechanisms are not fully understood in both cases. The molecular considerations included the oil solubility of the surfactants, their structure and orientation as well as their dimensions in the interfaces and the curvature in the oil-water-interface. These effects have a decisive impact on the course and the outcome of the catastrophic phase inversion besides the volume ratio of the emulsion and the appearance of liquid crys-talline phases. Finally the performance of the system used in practice were analysed, which was fabricated via catastrophic inversion. It was found that the droplets in the produced O/W-emulsions were especially small, if the water supply to the T/O-emulsion was slow, and the stirring-speed was high. The dependency of the surfactant structure and concentration was equal to the results from the studies done with the model systems.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	20.01.2012
Dateien geändert am:	20.01.2012
Promotionsantrag am:	30.09.2011
Datum der Promotion:	23.11.2011