Benetzungswirkung, Anforderung: HLB: 7-9
Benetzung ist das Phänomen, bei dem ein an einer festen Oberfläche adsorbiertes Gas durch eine Flüssigkeit verdrängt wird. Substanzen, die diese Verdrängungsfähigkeit erhöhen, werden als Benetzungsmittel bezeichnet. Man unterscheidet im Allgemeinen drei Arten der Benetzung: Kontaktbenetzung (Adhäsionsbenetzung), Immersionsbenetzung (Immersionsbenetzung) und Ausbreitungsbenetzung (Spreizbenetzung). Die Ausbreitungsbenetzung gilt als die beste Benetzungsart, und der Ausbreitungskoeffizient wird häufig als Indikator zur Bewertung der Benetzungsleistung verschiedener Systeme herangezogen. Auch der Kontaktwinkel dient als Kriterium zur Beurteilung der Benetzungsqualität. Tenside können eingesetzt werden, um den Benetzungsgrad zwischen flüssiger und fester Phase zu steuern.
In der Pflanzenschutzmittelindustrie enthalten einige Granulate und Pulver einen gewissen Anteil an Tensiden. Diese dienen dazu, die Haftung und Ablagerung des Pflanzenschutzmittels auf der Zieloberfläche zu verbessern, die Freisetzungsrate zu beschleunigen und die Ausbreitungsfläche der Wirkstoffe unter feuchten Bedingungen zu vergrößern, wodurch die Wirksamkeit der Krankheitsvorbeugung und -behandlung erhöht wird.
In der Kosmetikindustrie dienen Tenside als Emulgatoren und sind unverzichtbare Bestandteile von Hautpflegeprodukten wie Cremes, Lotionen, Gesichtsreinigern und Make-up-Entfernern.
Mizellen und Solubilisierung,Anforderungen: C > CMC (HLB 13–18)
Die minimale Konzentration, bei der sich Tensidmoleküle zu Mizellen zusammenlagern. Überschreitet die Konzentration den CMC-Wert, ordnen sich die Tensidmoleküle in Strukturen wie sphärischen, stäbchenförmigen, lamellaren oder plättchenförmigen Konfigurationen an.
Solubilisierungssysteme sind thermodynamische Gleichgewichtssysteme. Je niedriger die kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC) und je höher der Assoziationsgrad, desto größer ist die maximale Additivkonzentration (MAC). Der Temperatureinfluss auf die Solubilisierung zeigt sich in drei Aspekten: Er beeinflusst die Mizellenbildung, die Löslichkeit der Solubilisierungsmittel und die Löslichkeit der Tenside selbst. Bei ionischen Tensiden steigt die Löslichkeit mit zunehmender Temperatur sprunghaft an; die Temperatur, bei der dieser abrupte Anstieg erfolgt, wird als Krafft-Punkt bezeichnet. Je höher der Krafft-Punkt, desto niedriger ist die kritische Mizellenbildungskonzentration.
Bei nichtionischen Polyoxyethylen-Tensiden sinkt die Löslichkeit ab einer bestimmten Temperatur rapide, es kommt zur Ausfällung und damit zur Trübung der Lösung. Dieses Phänomen wird als Trübung bezeichnet, die zugehörige Temperatur als Trübungspunkt. Bei Tensiden mit gleicher Polyoxyethylen-Kettenlänge gilt: Je länger die Kohlenwasserstoffkette, desto niedriger der Trübungspunkt; umgekehrt gilt: Je länger die Polyoxyethylenkette, desto höher der Trübungspunkt bei gleicher Kohlenwasserstoffkettenlänge.
Unpolare organische Substanzen (z. B. Benzol) sind in Wasser sehr schwer löslich. Die Zugabe von Tensiden wie Natriumoleat kann die Löslichkeit von Benzol in Wasser jedoch deutlich erhöhen – ein Prozess, der als Solubilisierung bezeichnet wird. Die Solubilisierung unterscheidet sich von der gewöhnlichen Auflösung: Das solubilisierte Benzol ist nicht gleichmäßig in den Wassermolekülen verteilt, sondern wird in den von Oleat-Ionen gebildeten Mizellen eingeschlossen. Röntgenbeugungsuntersuchungen haben bestätigt, dass sich alle Arten von Mizellen nach der Solubilisierung unterschiedlich stark ausdehnen, während die kolligativen Eigenschaften der Gesamtlösung weitgehend unverändert bleiben.
Mit steigender Tensidkonzentration in Wasser lagern sich Tensidmoleküle an der Flüssigkeitsoberfläche an und bilden eine dicht gepackte, orientierte Monoschicht. Überschüssige Moleküle in der flüssigen Phase aggregieren mit ihren hydrophoben Gruppen nach innen und bilden Mizellen. Die Mindestkonzentration, die zur Einleitung der Mizellenbildung erforderlich ist, wird als kritische Mizellenkonzentration (CMC) bezeichnet. Bei dieser Konzentration weicht die Lösung vom idealen Verhalten ab, und es zeigt sich ein deutlicher Wendepunkt in der Kurve der Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Konzentration. Eine weitere Erhöhung der Tensidkonzentration führt nicht mehr zu einer Verringerung der Oberflächenspannung, sondern fördert stattdessen das kontinuierliche Wachstum und die Vermehrung von Mizellen in der flüssigen Phase.
Wenn sich Tensidmoleküle in einer Lösung verteilen und eine bestimmte Konzentration erreichen, lagern sie sich von einzelnen Monomeren (Ionen oder Molekülen) zu kolloidalen Aggregaten, sogenannten Mizellen, zusammen. Dieser Übergang bewirkt abrupte Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Lösung. Die Konzentration, bei der dies geschieht, ist die kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC). Der Prozess der Mizellenbildung wird als Mizellisierung bezeichnet.
Die Bildung von Mizellen in wässrigen Tensidlösungen ist ein konzentrationsabhängiger Prozess. In extrem verdünnten Lösungen stehen Wasser und Luft nahezu in direktem Kontakt, sodass die Oberflächenspannung nur geringfügig abnimmt und nahe der von reinem Wasser bleibt. Nur sehr wenige Tensidmoleküle sind in der flüssigen Phase dispergiert. Mit mäßig steigender Tensidkonzentration adsorbieren die Moleküle rasch an der Wasseroberfläche, wodurch die Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft verringert wird und ein starker Abfall der Oberflächenspannung entsteht. Gleichzeitig aggregieren einige Tensidmoleküle in der flüssigen Phase mit ihren hydrophoben Gruppen und bilden kleine Mizellen.
Mit steigender Konzentration und Erreichen der Sättigungsadsorption bildet sich ein dicht gepackter monomolekularer Film auf der Flüssigkeitsoberfläche. Beim Erreichen der kritischen Mizellenbildungskonzentration (CMC) erreicht die Oberflächenspannung der Lösung ihren Minimalwert. Oberhalb der CMC beeinflusst eine weitere Erhöhung der Tensidkonzentration die Oberflächenspannung kaum noch; stattdessen nehmen Anzahl und Größe der Mizellen in der flüssigen Phase zu. Die Lösung wird dann von Mizellen dominiert, die als Mikroreaktoren bei der Synthese von Nanopulvern dienen. Mit weiter steigender Konzentration geht das System allmählich in einen flüssigkristallinen Zustand über.
Sobald die Konzentration einer wässrigen Tensidlösung die kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC) erreicht, nimmt die Bildung von Mizellen mit steigender Konzentration deutlich zu. Dies äußert sich in einem Wendepunkt der Kurve der Oberflächenspannung in Abhängigkeit vom Logarithmus der Konzentration (γ-log c-Kurve) sowie im Auftreten nicht-idealer physikalischer und chemischer Eigenschaften der Lösung.
Ionische Tensidmizellen weisen hohe Oberflächenladungen auf. Aufgrund elektrostatischer Anziehung werden Gegenionen an die Mizellenoberfläche gezogen und neutralisieren einen Teil der positiven und negativen Ladungen. Sobald die Mizellen jedoch hochgeladene Strukturen bilden, erhöht sich die Bremskraft der durch die Gegenionen erzeugten ionischen Atmosphäre signifikant – eine Eigenschaft, die zur Anpassung der Dispergierbarkeit von Nanopulvern genutzt werden kann. Aus diesen beiden Gründen sinkt die äquivalente Leitfähigkeit der Lösung mit steigender Konzentration oberhalb der kritischen Mizellenbildungskonzentration (CMC) rapide ab, wodurch dieser Punkt eine zuverlässige Methode zur Bestimmung der CMC von Tensiden darstellt.
Die Struktur ionischer Tensidmizellen ist typischerweise kugelförmig und besteht aus drei Teilen: einem Kern, einer Hülle und einer diffusen elektrischen Doppelschicht. Der Kern besteht aus hydrophoben Kohlenwasserstoffketten, ähnlich wie flüssige Kohlenwasserstoffe, mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 2,8 nm. Die Methylengruppen (-CH₂-) neben den polaren Kopfgruppen weisen eine partielle Polarität auf und halten einige Wassermoleküle um den Kern herum zurück. Daher enthält der MizellenkernEs ist eine beträchtliche Menge an Wasser eingeschlossen, und diese -CH₂-Gruppen sind nicht vollständig in den flüssigkeitsähnlichen Kohlenwasserstoffkern integriert, sondern bilden stattdessen einen Teil der nicht-flüssigen Mizellenhülle.
Die Mizellenhülle wird auch als Mizellen-Wasser-Grenzfläche oder Oberflächenphase bezeichnet. Sie beschreibt nicht die makroskopische Grenzfläche zwischen Mizellen und Wasser, sondern den Bereich zwischen den Mizellen und der monomeren wässrigen Tensidlösung. Bei ionischen Tensidmizellen wird die Hülle von der innersten Stern-Schicht (oder fixen Adsorptionsschicht) der elektrischen Doppelschicht gebildet und weist eine Dicke von etwa 0,2 bis 0,3 nm auf. Die Hülle enthält neben den ionischen Kopfgruppen der Tenside und einem Teil der gebundenen Gegenionen auch eine Hydrathülle, die durch die Hydratation dieser Ionen entsteht. Die Mizellenhülle ist keine glatte Oberfläche, sondern eine raue Grenzfläche, die durch Fluktuationen aufgrund der thermischen Bewegung der Tensidmonomermoleküle entsteht.
In nicht-wässrigen (ölbasierten) Medien, in denen Ölmoleküle überwiegen, aggregieren die hydrophilen Gruppen der Tenside nach innen und bilden einen polaren Kern, während die hydrophoben Kohlenwasserstoffketten die äußere Hülle der Mizelle bilden. Diese Mizellenart weist im Vergleich zu herkömmlichen wässrigen Mizellen eine umgekehrte Struktur auf und wird daher als inverse Mizelle bezeichnet; im Gegensatz dazu werden in Wasser gebildete Mizellen als normale Mizellen bezeichnet. Abbildung 4 zeigt ein schematisches Modell von inversen Mizellen, die durch Tenside in nicht-wässrigen Lösungen gebildet werden. In den letzten Jahren haben inverse Mizellen breite Anwendung in der Synthese und Herstellung von nanoskaligen Wirkstoffträgern gefunden, insbesondere zur Verkapselung hydrophiler Wirkstoffe.
Veröffentlichungsdatum: 26. Dezember 2025