1 Allgemeine Einführung

Tenside sind amphiphile oder amphipathische Moleküle, die aus einem unpolaren hydrophoben Teil bestehen, in der Regel einer geraden oder verzweigten Kohlenwasserstoff- oder Fluorkohlenwasserstoffkette mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen, der an einen polaren oder ionischen (hydrophilen) Teil gebunden ist. Der Begriff „amphiphil“ leitet sich vom griechischen Wort „amphi“ ab, das „beides“ bedeutet, und bezieht sich auf die Tatsache, dass alle Tensidmoleküle aus mindestens zwei Teilen bestehen, von denen einer in einer bestimmten Flüssigkeit, z. B. Wasser, löslich ist (der hydrophile Teil) und der andere in Wasser unlöslich ist (der hydrophobe Teil). Der hydrophile Teil kann nichtionisch, ionisch oder zwitterionisch sein, wobei in den letzten beiden Fällen Gegenionen vorhanden sind. Die Kohlenwasserstoffkette interagiert nur schwach mit den Wassermolekülen in einer wässrigen Umgebung, während die polare oder ionische Kopfgruppe über Dipol- oder Ionen-Dipol-Wechselwirkungen stark mit den Wassermolekülen interagiert. Es ist diese starke Wechselwirkung mit den Wassermolekülen, die das Tensid wasserlöslich macht. Die Wassermoleküle vermeiden jedoch den Kontakt mit der hydrophoben Kette, und ihre kooperative Wirkung von Dispersion und Wasserstoffbrückenbindungen führt dazu, dass die Kohlenwasserstoffkette aus dem Wasser herausgedrückt wird, indem sie sich an den Grenzflächen anlagert und sich in Lösung zu Aggregateinheiten zusammenschließt, die als Mizellen bezeichnet werden. Im letzteren Fall sind die hydrophoben Gruppen des Tensids in das Innere des Aggregats und die polaren Kopfgruppen in Richtung des Lösungsmittels gerichtet. Diese Mizellen befinden sich in einem dynamischen Gleichgewicht, und die Austauschrate zwischen einem Tensidmolekül und der Mizelle kann je nach der Struktur des Tensidmoleküls um Größenordnungen variieren. Das Gleichgewicht zwischen hydrophilen und hydrophoben Teilen des Moleküls (das sogenannte hydrophil-lipophile Gleichgewicht, HLB) verleiht diesen Systemen ihre besonderen Eigenschaften wie Adsorption an Grenzflächen und Bildung von Selbstorganisationsstrukturen.

Tenside haben die Eigenschaft, an den Oberflächen oder Grenzflächen des Systems zu adsorbieren und die freie Oberflächen- oder Grenzflächenenergie dieser Oberflächen oder Grenzflächen zu verändern. Die treibende Kraft für die Adsorption von Tensiden ist die Senkung der freien Energie der Phasengrenze. Die freie Grenzflächenenergie pro Flächeneinheit ist die Arbeit, die zur Ausdehnung der Grenzfläche erforderlich ist. Diese freie Grenzflächenenergie, die als Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung γ bezeichnet wird, wird in mJm−2 oder mNm−1 angegeben. Die Adsorption von Tensidmolekülen an der Grenzfläche senkt die Oberflächenspannung γAW (an der Luft/Flüssigkeits-Grenzfläche) oder die Grenzflächenspannung γOW (an der Öl/Wasser-Grenzfläche), und je höher die Tensidadsorption ist (d. h. je dichter die Schicht ist), desto größer ist die Verringerung von γ. Tenside adsorbieren auch an der Fest/flüssig-Grenzfläche, was zu einer Verringerung der Fest/flüssig-Grenzflächenspannung γSL führt. Der Grad der Tensidadsorption an der Grenzfläche hängt von der Tensidstruktur und der Art der beiden Phasen ab, die auf die Grenzfläche treffen [1, 2, 3, 4].

Bei der Untersuchung von Tensiden sollten zwei Hauptphänomene berücksichtigt werden:

1. Grenzflächeneffekte, die sich auf die Adsorption und Ausrichtung der Moleküle an verschiedenen Grenzflächen beziehen. Dies erfordert genaue Messungen der Adsorption und der Ausrichtung der Tensid-Ionen oder -Moleküle.

2. Kolloidstabilität, die sich auf die Wirkung von Tensiden auf die Stabilisierung verschiedener disperser Systeme bezieht, z. B. Emulsionen, Suspensionen, Schäume, Nano- und Mikroemulsionen. Es sollte erwähnt werden, dass diese Unterteilung nur der Einfachheit halber erfolgt, da Kolloid- und Grenzflächenforschung ein und dasselbe Studienfach sind. Alle Phänomene der Kolloidstabilität sind mit den Grenzflächenphänomenen verbunden.

Tenside finden in fast allen chemischen Industriezweigen Anwendung, von denen hier nur einige genannt werden sollen: Reinigungsmittel, Farben, Farbstoffe, Kosmetika, Pharmazeutika, Agrochemikalien, Fasern, Kunststoffe usw. Darüber hinaus spielen Tenside eine wichtige Rolle in der Erdölindustrie, z. B. bei der sekundären und tertiären Erdölgewinnung. In letzterem Fall werden mizellare Systeme und Mikroemulsionen aus Tensiden verwendet, um das Öl aus den Mikroporen zurückzugewinnen, das aufgrund der Kapillarkräfte eingeschlossen ist. Gelegentlich werden sie auch für den Umweltschutz eingesetzt, z. B. als Dispersionsmittel für Ölteppiche. Das aus Tankern und Ölquellen ausgelaufene Öl wird mit Hilfe von Tensiden emulgiert, die entstandene Emulsion wird getrennt und das System anschließend demulgiert, um das Öl zurückzugewinnen. Daher ist ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Chemie von Tensiden, ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften und ihres Phasenverhaltens für die meisten Industriechemiker unerlässlich. Darüber hinaus ist das Verständnis der grundlegenden Phänomene bei der Anwendung von Tensiden, z. B. bei der Herstellung von Emulsionen und Suspensionen und deren anschließender Stabilisierung, bei Nano- und Mikroemulsionen, bei der Benetzung, Ausbreitung und Adhäsion usw., von entscheidender Bedeutung, um die richtige Zusammensetzung und Kontrolle des betreffenden Systems zu erreichen [1, 2]. Dies ist insbesondere bei vielen der oben genannten Formulierungen in der chemischen Industrie der Fall.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den kommerziell hergestellten Tensiden nicht um reine Chemikalien handelt und dass es innerhalb der einzelnen chemischen Typen enorme Unterschiede geben kann. Dies ist verständlich, da Tenside aus verschiedenen Ausgangsstoffen hergestellt werden, nämlich aus Petrochemikalien, natürlichen Pflanzenölen und natürlichen tierischen Fetten. Es ist wichtig zu wissen, dass die hydrophobe Gruppe in jedem Fall aus einer Mischung von Ketten unterschiedlicher Länge besteht. Das Gleiche gilt für die polare Kopfgruppe, zum Beispiel bei Polyethylenoxid (dem Hauptbestandteil nichtionischer Tenside), das aus einer Verteilung von Ethylenoxid-Einheiten besteht. Daher können Produkte, die denselben Gattungsnamen tragen, in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich sein, und der Formulierungschemiker sollte dies bei der Auswahl eines Tensids eines bestimmten Herstellers berücksichtigen. Es ist ratsam, vom Hersteller so viele Informationen wie möglich einzuholen, z. B. die Verteilung der Alkylkettenlänge, die Verteilung der Polyethylenoxidkette und auch die Eigenschaften des gewählten Tensids, wie seine Eignung für die Aufgabe, seine Schwankungen von Charge zu Charge, seine Toxizität usw. Der Hersteller verfügt in der Regel über mehr Informationen über das Tensid als auf dem Datenblatt angegeben, und in den meisten Fällen werden diese Informationen auf Anfrage erteilt.

Dieses Buch gibt eine Einführung in Tenside, ihre Lösungseigenschaften, die Adsorption an verschiedenen Grenzflächen und ihre Anwendungen in verschiedenen dispersen Systemen. Kapitel 2 enthält eine allgemeine Klassifizierung der Tenside auf der Grundlage der Art der Kopfgruppe (anionisch, kationisch, zwitterionisch und nichtionisch). Außerdem werden einige spezialisierte Moleküle wie Fluorkohlenwasserstoff- und Silikontenside (als „Superbenetzer“ bezeichnet) sowie Tenside auf Zuckerbasis beschrieben. Natürlich vorkommende Tenside, die in der Lebensmittelindustrie und in der Pharmazie verwendet werden, werden ebenfalls beschrieben. Ein Abschnitt ist den polymeren Tensiden gewidmet. Letztere sind besonders wichtig für die Stabilisierung von dispersen Systemen. Kapitel 3 befasst sich mit den ungewöhnlichen Eigenschaften von Tensidlösungen, die bei einer bestimmten Konzentration abrupte Veränderungen zeigen, die mit der Bildung von Aggregateinheiten, den so genannten Mizellen, zusammenhängen. Diese Konzentration, die als kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) bezeichnet wird, hängt von der Struktur und Art des Tensidmoleküls ab. Die verschiedenen Selbstorganisationsstrukturen, die in Tensidlösungen entstehen, werden in Bezug auf ihre Strukturen und ihr Phasenverhalten beschrieben. Kapitel 4 beschreibt den Prozess der Adsorption von Tensiden an den Grenzflächen Luft/Flüssigkeit (A/L), Flüssigkeit/Flüssigkeit (L/L) und Feststoff/Flüssigkeit (S/L). Es wird eine thermodynamische Betrachtung des Prozesses der Tensidadsorption gegeben. Diese Betrachtung kann für die reversible Adsorption der Tensidmoleküle angewandt werden, bei der ein Gleichgewicht hergestellt wird, sobald die Adsorptionsrate der Desorptionsrate entspricht. Eine solche thermodynamische Betrachtungsweise kann nicht auf die Adsorption von polymeren Tensiden angewandt werden, da in diesem Fall der Adsorptionsprozess nicht reversibel ist. In diesem Fall kann die statistische thermodynamische Betrachtung des Adsorptionsprozesses angewandt werden. Die experimentellen Techniken, die zur Messung der Adsorption von Tensiden an verschiedenen Grenzflächen eingesetzt werden können, werden kurz beschrieben. Das Verständnis des Prozesses der Adsorption von Tensiden an verschiedenen Grenzflächen ist für ihre Anwendung sehr wichtig. So wird beispielsweise der Prozess der Benetzung und Ausbreitung an verschiedenen Grenzflächen durch die Adsorption von...