Untersuchungen zur Stabilität von Tensidschäumen · PDF fileUntersuchungen zur...

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  • Untersuchungen zur Stabilität von Tensidschäumen

    Dissertation

    zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften

    – Dr. rer. nat. –

    der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

    der Universität Bayreuth

    vorgelegt von

    Diplom-Chemiker Christian Fehn

    aus Kronach

    Bayreuth 2006

  • Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der

    Universität Bayreuth zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der

    Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigten Dissertation.

    Die experimentellen Arbeiten zur vorliegenden Dissertation wurden in der Zeit von Februar 2003

    bis Mai 2006 am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der Universität Bayreuth unter der Leitung

    von Prof. Dr. Gerhard Platz angefertigt.

    Zulassung zur Promotion: 18.10.2006

    Annahme der Dissertation: 16.01.2007

    Datum des wissenschaftlichen Kolloquiums: 26.02.2007

    Prüfungsausschuss:

    Vorsitzender: Prof. Dr. Helmut Alt

    Erstgutachter: Prof. Dr. Gerhard Platz

    Zweitgutachter: Prof. Dr. Alexander Böker

    Prof. Dr. Rainer Schobert

  • "Des is wia bei jeda Wissenschaft,

    am Schluß stellt sich dann heraus, dass alles ganz anders war.“

    KARL VALENTIN (1882 – 1948)

  • INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung und Problemstellung.......................................................................... 1 2 Theorie ................................................................................................................... 6 2.1 Schaumstruktur......................................................................................................................6

    2.2 Schaumstabilität .....................................................................................................................6

    2.2.1 Gibbs-Marangoni-Effekt............................................................................................12

    2.2.2 Stratifikation und Stabilisierung durch flüssigkristalline Strukturen.........................14

    2.2.3 Die Stabilität dünner Filme ........................................................................................15

    2.2.4 Biliquid Foams...........................................................................................................20

    2.3 Schaumzerstörung................................................................................................................21

    2.3.1 Mechanismen der Schaumzerstörung ........................................................................22

    2.3.1.1 Langsame Entschäumer .........................................................................................23

    2.3.1.2 Schnelle Entschäumer ............................................................................................23

    2.3.1.3 Einfluss von im Öl implementierten hydrophoben Partikeln.................................25

    2.3.1.4 Einfluss der Spreitung auf die Entschäumerwirkung.............................................26

    2.3.1.5 Entschäumerdeaktivierung.....................................................................................28

    3 Methoden und verwendete Substanzen............................................................ 29 3.1 Herstellung von Öl-Compounds .........................................................................................29

    3.2 Schüttelmethode zur Schaumerzeugung............................................................................30

    3.3 Sprudelmethode zur Schaumerzeugung ............................................................................31

    3.4 Präparative Gelherstellung .................................................................................................32

    3.4.1 Ölreiche Gele .............................................................................................................32

    3.4.2 Wasserreiche Gele......................................................................................................33

    3.5 Viskosität und Rheologie .....................................................................................................33

    3.6 Kontaktwinkelmessungen....................................................................................................34

    3.6.1 Apparativer Aufbau....................................................................................................35

    3.6.2 Probenpräparation ......................................................................................................35

    3.7 Grenzflächenspannungsmessungen....................................................................................36

    3.8 Dichtemessungen ..................................................................................................................39

    3.9 Spreitungsmessungen...........................................................................................................39

    3.10 Dynamische Lichtstreuung..................................................................................................40

  • 3.11 Mikroskopie und Strukturaufklärung ...............................................................................41

    3.12 Reinigungsprozeduren.........................................................................................................43

    3.13 Verwendete Substanzen.......................................................................................................43

    4 Charakterisierung des Schaumverhaltens reiner Tensidlösungen................ 46 4.1 Natriumcaprylat (Natriumoktanoat, NaCap) - Schaum ..................................................46

    4.1.1 Untersuchungen zur Schaumbildungsfähigkeit .........................................................46

    4.1.2 Untersuchungen zur Schaumstabilität........................................................................47

    4.2 Natriumdodecylsulfat (SDS) - und TritonX-100 (TX-100) - Schaum .............................55

    4.2.1 Untersuchungen zur Schaumbildungsfähigkeit .........................................................56

    4.2.2 Untersuchungen zur Schaumstabilität........................................................................58

    4.3 Zusammenfassung................................................................................................................67

    5 Charakterisierung des Schaumverhaltens von Tensidlösungen in Gegenwart

    von Silikonölen bzw. Silikonöl-Compounds..................................................... 68 5.1 Bartsch-Methode ..................................................................................................................68

    5.1.1 Einfluss reiner Silikonöle...........................................................................................70

    5.1.2 Wirkung von Silikonöl-Compounds ..........................................................................75

    5.2 Untersuchungen zur dynamischen Entschäumerdeaktivierung: Sprudelmethode .......95

    5.3 Zusammenfassung..............................................................................................................105

    6 Untersuchungen an silikonölreichen Gelen als Modellsystem für die

    Grenzfläche Silikonöl/ Wasser ........................................................................ 106 6.1 Phasenverhalten reiner Silikonöle ....................................................................................107

    6.1.1 Grundlegende Charakterisierung .............................................................................107

    6.1.2 Phasenverhalten für cT > cTmax..................................................................................113

    6.1.3 Einfluss der Viskosität der wässrigen Phase auf das Phasenverhalten ....................120

    6.1.4 Analyse der Tröpfchengrößenverteilung .................................................................126

    6.1.5 Einfluss der Viskosität der Ölphase auf das Phasenverhalten .................................130

    6.2 Einfluss des Phasenverhaltens von Silikonölen durch die Implementierung silikatischer

    Spezies .................................................................................................................................132

    6.2.1 Grundlegende Charakterisierung .............................................................................132

    6.2.2 Bewertung eines Wirkungssynergismus ..................................................................141

    6.2.3 Einfluss eines variierenden Gewichtsanteils silikatischer Komponenten auf die

  • Gelstabilität ..............................................................................................................145

    6.2.4 Einfluss von Lagerungsdauer/ Erhitzungszeit der Silikonöl-Compounds auf die

    Gelstabilität ..............................................................................................................148

    6.2.5 Langzeitstabilität von silikonölreichen Gelen bei Implementierung von Silikonharz ..151

    6.3 Zusammenfassung und