Kolloidale Dispersionen und die Messung ihrer Stabilität

Eine kolloidale Dispersion besteht aus festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln, die in einer kontinuierlichen Phase (fest, flüssig oder gasförmig) dispergiert sind. „Kolloidal“ bezeichnet Partikel, die in mindestens einer Dimension eine Größe von 1 nm bis 1 µm aufweisen. Die am häufigsten vorkommenden kolloidalen Dispersionen sind fest-flüssig (Suspensionen), flüssig-flüssig (Emulsionen), gas-flüssig (Schäume) und fest-gasförmig (Aerosole) Dispersionen.

Kolloidale Dispersionen sind von Natur aus thermodynamisch instabile Systeme, da sie dazu neigen, die Oberflächenenergie zu minimieren. Daher ist die Stabilität eines kolloidalen Systems unweigerlich mit einem Zeitbegriff verknüpft, der durch den jeweiligen Prozess, die Nutzung und die Anwendung bestimmt wird.

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Stabilität kolloidaler Dispersionen

Es können zwei Stabilitätskategorien unterschieden werden: kolloidale Stabilität und gravitative Stabilität.

1. Kolloidale Stabilität bezieht sich auf die Veränderung der Partikelgröße (z. B. Aggregation oder Agglomeration). Wenn Partikel keiner Größenveränderung unterliegen, gilt die Dispersion als kolloidal stabil. Daher hängt die kolloidale Stabilität von mehreren Arten von Wechselwirkungen ab, wie zum Beispiel:

Van-der-Waals Kraft und elektrostatische Wechselwirkungen (klassische Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO)-Theorie)
Sterische Wechselwirkungen (z. B. Polymeradsorption)
Hydrophober Effekt

2. Gravitative Stabilität bezeichnet die Fähigkeit von Partikeln, der Partikelmigration (z. B. Sedimentation oder Aufrahmung) zu widerstehen, und hängt hauptsächlich von den rheologischen Eigenschaften der kolloidalen Dispersion ab, wie Viskosität und Dichte der kontinuierlichen Phase sowie Größe und Dichte des Partikels. Für verdünnte kolloidale Partikel in einer Newtonschen Flüssigkeit kann dieses Migrationsphänomen durch das Stokes'sche Gesetz beschrieben werden.

Sedimentation wird manchmal fälschlicherweise als kolloidale Instabilität betrachtet.

Beispielsweise kann eine Partikeldispersion in einem Lösungsmittel kolloidal stabil sein (es gibt keine Veränderung der Partikelgröße), während sie gravitationsbedingt instabil ist (Partikel sedimentieren aufgrund einer nicht übereinstimmenden Dichte mit dem Lösungsmittel).

Es ist zu beachten, dass die Destabilisierung der kolloidalen Dispersion zu gravitativer Instabilität führen kann (größere Partikel beginnen schnell zu sedimentieren).

Wie kann die Stabilität einer kolloidalen Dispersion gemessen werden?

Die Elektrophoretische Lichtstreuung (ELS) ist eine gängige Methode zur Bewertung des Stabilitätspotenzials einer Dispersion. ELS ermöglicht die Messung des Zeta-Potentials einer Dispersion, wodurch Informationen über elektrostatische Wechselwirkungen und daraus abgeleitet deren Neigung zur Agglomeration gewonnen werden. Das Zeta-Potential ist ein zuverlässiger Indikator für die Stabilität einer Dispersion, jedoch haben mehrere Parameter wie sterische Effekte, Sedimentation oder hydrophobe Effekte ebenfalls einen starken Einfluss. Daher kann das Vertrauen auf Zeta-Potential-Werte nur zu falschen Stabilitätsinterpretationen führen, beispielsweise bei Metall-Nanopartikeln in komplexen Medien, wässrigem Kieselsol und Öl-in-Wasser-Emulsionen.

Die SMLS-Technik bietet klare Vorteile für die Charakterisierung von Destabilisierungsphänomenen. Sowohl die gravitative als auch die kolloidale Stabilität von Dispersionen kann mit minimalem Probenhandling bewertet werden. Wichtiger ist, dass die Analyseergebnisse durch die Untersuchung von Formulierungen in ihrem nativen Zustand gewonnen werden, wodurch die Repräsentativität der Ergebnisse sichergestellt wird.

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Zum Produktbereich "Statische Mehrfachlichtstreuung (SMLS)"

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