Tenside

Mit etwas Geschick lässt sich auf der Wasseroberfläche eine randvollen Glases eine Büroklammer zum "Schwimmen" bringen. Berührt man nun die Wasseroberfläche mit einem Gegenstand welchen man im Vorhinein mit etwas Seife (ein Tensid) benetzt hat, so sinkt die Büroklammer rasch zum Boden des Glases. Dieses Phänomen entsteht daher das die Grenzflächenspannung des Wassers die ein Benetzen der Büroklammer verhindert hat durch das zugegebene Tensid stark abnimmt. Die Büroklammer benetzt und sinkt aufgrund ihrer höheren Dichte zu Boden. Der Versuch seifen-benetzte Büroklammern zum schwimmen zu bringen wird daher kläglich scheitern.

In allen realen Flüssigkeiten existieren intermolekulare Anziehungskräfte wobei sich diese Kräfte im inneren einer Phase im Mittel gegenseitig aufheben. An der Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Phasen ist dies nicht mehr der Fall. Durch die Anziehung die die Moleküle innerhalb ihrer Phase auf ihre jeweiligen Nachbarn ausüben und weil sie dabei keine Nachbarn in Richtung der anderen Phase zur Interaktion haben, kommt es zu einem "zusammenziehen" der Oberfläche. Genauer gesagt resultiert daraus eine Kraft auf die Oberfläche die von ihr lotrecht in das Innere der Flüssigkeit zeigt.

Dies ist auch der Grund dafür weshalb Flüssigkeitstropfen im freien Fall eine Kugelform annehmen.

Tenside sind Verbindungen, die innerhalb ihres Molekülaufbaus sowohl hydrophile als auch lipophile Bereiche aufweisen. Diese Eigenschaft nennt man "Amphiphil" was so viel wie "beides" oder "beide Seiten liebend" bedeutet. Bringt man Tenside in solch ein 2 phasiges Modellsystem so ordnen sich diese, da sie an den mit dem jeweiligen Solvens nicht interagierenden Bereichen eine relative Abstoßung erfahren, bevorzugt in der Phasengrenze an. Dort können Polaren Anteile mit z.b. dem Wasser der polaren Phase interagieren und die nicht polaren Anteile des Tensids mit z.b. dem Öl der nicht polaren Phase. Mann nennt sie daher auch "grenzflächenaktiv" oder "Surfactants" (Englisch: Surface Active Agents). Solche Moleküle verringern also die Grenzflächenspannung ihres (nicht amphiphilen) Lösungmittels, indem sie die Anziehungskräfte innerhalb einer Phase auf Teilchen benachbarter Phasen übertragen, beziehungsweise diese als Interaktionspartner zur Energiedissipation aus anderen Phasen verfügbar machen.

Dies wirkt sich auch emulsionsstabilisierend aus indem die Koaleszenz (das Zusammenlaufen der Emulsionströpfchen) verringert bzw. das zerplatzen in kleinere Tröpfchen begünstigt wird.

Die grobe Einteilung der verschiedenen Tensidmoleküle geschieht meist anhand ihrer hydrophilen Gruppe(n). Diese können kationisch (positiv geladen), anionisch (negativ geladen), nichtionisch (ungeladen) oder Mischformen wie bei amphoteren/zwitterionischen Tensiden (diese liegen an ihrem isoelektrischen Punkt als innere Salze vor) sein.

Der HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic Balance) eines Tensidmoleküls beschreibt das Verhältnis von seinen hydrophilen und lipophilen Anteilen. Er vereinfacht es verschiedene Tenside untereinander zu vergleichen. Was häufig missachtet wird ist dass der HLB-wert eine Kennzahl und somit ein experimentell bestimmter Wert ist. Die Vergleichbarkeit ist somit an die Bestimmungsmethode (es gibt etliche) und Randbedingungen wie Temperatur oder Ionenstärke geknüpft.

Viele Waschmittel schäumen und dieser Schaum ist für den Verbraucher oft auch der Inbegriff von Reinigungswirkung. Dabei hängt das Schaumverhalten vorallem von den HLB-werten der eingesetzten Tenside, dem Lipidanteil sowie der Viskosität und nur sehr bedingt von der Konzentration an wasch-aktiver Substanz oder der Reinigungsleistung des Produktes ab. Ein Schaum ist eine Luft-in-Wasser Emulsion und somit eine O/W Emulsion (Luft ist im Vergleich zu Wasser recht lipophil) was eine gewisse Tendenz von Tensiden mit hohem HLB-wert zu schäumen erklären kann.

So wird eine Mischung aus Fettalkoholpolyether (z.b. Lauteth-20) und einem flüchtigen lipid (z.b. Un- bis Tri-dekan) oder einem cyclosiloxan als Entschäumer kaum Schaumbidung zeigen, aber stark reinigen und entfetten. Gegenteiliges ist von einer Xanthanlösung zu erwarten die mit kleinsten Mengen eines anionischen tensids mit hohem HLB-wert und gutem Schaumverhalten (z.b. Natrium- Palmitat oder Laurylethsulfat) versetzt wurde. Diese schäumt stark weist allerdings nur eine geringe reinigende und entfettende Wirkung auf.

Da eine vollständige Entfettung selten sinnvoll und oft auch Kontraproduktiv (Verlust von Barrierefunktionen und Stabilität) ist werden Waschmitteln, besonders denen für Körper, Seide, Wolle, Leder und Haar oft Lipide zugesetzt um den entfettendenden Effekt der eingesetzten Tenside zu mindern. Die Menge dieser Zusätze hängt stark von Art und Menge der eingesetzten Tensiden und der Anwendungsintention ab und kann daher von 0% (Detergenzien, Reiniger) bis hin zum Hauptbestandteil eines Produktes (Duschöl, Bademilch) reichen. Den selben Zweck hat auch die "Überfettung" (Versieden von Fetten mit unterstöchiometrischer Laugenmenge) viele kosmetischer Seifen.

Die meisten Emulsionen bestehen aus zwei Phasen wobei eine zusammenhängend (kontinuierlich) und die andere in kleine Tröpfchen zerplatzt vorliegt. Sie werden anhand ihrer Phasenlage noch weiter in Öltropfen-in-Wasser (O/W) und Wassertropfen-in-Öl (W/O) unterteilt. Bei sehr ungünstigen Phasenlagen (diskontinuerliche Phase signifikant größer als die kontinuerliche Phase) werden diese auch als als HIPE (High-Internal-Phase-Emulsion) bezeichnet. Ebenfalls komme bei zweiphasigen Emulsionen bikontinuerliche Systeme vor bei denen alle Phasen in sich zusammenhängend sind. In Ihnen sind die beiden Phasen Lamellen- oder Schicht- artig umeinander gewickelt. Daneben gibt es mehrphasige Emulsionen die weiter in polyphasisch (z.b. 3 phasig: Wasser (kontinuerlich), Öl (dispers) & Silikonöl (dispers) -> O_fett + O_silikon / W ) und innere Emulsionen eingeteilt werden. Also sind beispielsweise Tröpfchen einer Wasser-in-Öl Emulsion die in Wasser dispers vorliegen eine (Wasser-in-Öl)-in-Wasser oder W/O/W-Emulsion. Den Umgekehrten Fall der O/W/O-Emulsion gibt es auch ebenso wie diverse komplexere Mischformen dieser Emulsionstypen. Ebenfalls werden Emulsionen anhand der Größenverteilung ihrer dispersen Phase charakterisiert. So kann eine Emulsion beispielsweise monodispers (nur eine Tröpfchengröße aufweisend) oder beispielsweise

Eine Microemulsion ist termodynamisch stabil und ihre disperse Teilchengröße liegt c.a. 1-100nm, was einem Subkubikmikrometer und damit grob ein Tausendstel der Subkubikmilimeter Tröpfchen in einer normalen "Macroemulsion" entspricht. Sie sind deutlich homogener im vergleich zur normalen Emulsion und wir daher oft auch als Isotrop betrachtet.

Nano- oder Mini- emulsionen hingegen sind kinetisch aber nicht termodynamisch stabil und bewegen sich mit Trofengrößen von c.a. 10-500nm etwas oberhalb der Microemulsionen und sind wie diese klar und transparent.

Ist der HLB-Wert des Emulgators bekannt so kann mit Bancroft-Regel für ein monokontinuerlich-biphasisches System abgeschätzt werden ob eine W/O-Emulsion oder eher eine O/W-Emulsionen entstehen wird. Die Regel besagt dass eben diejenige Phase zur kontinuierlichen (äußeren) wird, in der sich der Emulgator besser löst.

Die folgende Tabell dient zur Veranschaulichung und enthält lediglich Peilwerte:

Das hier beschriebene Vorgehen ist stark vereinfacht dargestellt und muss an die jeweiligen Ansprüche angepasst werden (z.b. kalt/trocken -vermahlung).

Zunächst werden alle Phasen der Emulsion aus ihren Rohstoffen erschmolzen, dabei sollte möglichst sanft erhitzt werden. Die auf die gleiche Temperatur erhitzte innere Phase wir nun langsam unter rühren in die äußere gegossen. Wenn die innere Phase deutlich kleiner ist als die äußere kann es sinnvoll sein erst eine Voremulsion zu rühren und diese der restlichen äußeren Phase zuzugeben. Entsprechend geht man je nach Aufbau auch bei mehrphasigen Emulsionen vor. Anschließend wird die Emulsion unter schwachem Rühren (wenn nötig im Kältebad) abgekühlt. Hierbei sollte darauf Acht gegeben werden etwaige unter gerührte Luftblasen zu entfernen (sie senken die Haltbarkeit). Ist die Emulsion erkaltet so werden der pH-Wert kontrolliert und die meist (wärme)empfindlichen Konservierungs- Duft- und Wirk- stoffe zugesetzt.

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