Faktoren, die die Stabilität von Emulsionen beeinflussen
In der Praxis bezeichnet die Stabilität einer Emulsion die Fähigkeit der Tröpfchen der dispergierten Phase, der Koaleszenz zu widerstehen. Unter den Messgrößen zur Beurteilung der Emulsionsstabilität ist die Koaleszenzrate der dispergierten Tröpfchen von zentraler Bedeutung; sie lässt sich durch Messung der zeitlichen Veränderung der Tröpfchenanzahl pro Volumeneinheit bestimmen. Da Tröpfchen in der Emulsion zu größeren Tröpfchen verschmelzen und schließlich zum Platzen der Emulsion führen, hängt die Geschwindigkeit dieses Prozesses hauptsächlich von folgenden Faktoren ab: den physikalischen Eigenschaften des Grenzflächenfilms, der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Tröpfchen, der sterischen Hinderung durch Polymerfilme, der Viskosität der kontinuierlichen Phase, der Tröpfchengröße und -verteilung, dem Phasenvolumenverhältnis, der Temperatur usw.
Von diesen Faktoren sind die physikalische Beschaffenheit des Grenzflächenfilms, elektrische Wechselwirkungen und sterische Hinderung die wichtigsten.
(1) Physikalische Eigenschaften des Grenzflächenfilms
Kollisionen zwischen Tröpfchen der dispergierten Phase sind Voraussetzung für die Koaleszenz. Die Koaleszenz schreitet kontinuierlich voran, wobei kleine Tröpfchen zu größeren schrumpfen, bis die Emulsion bricht. Im Verlauf der Kollisionen und der Verschmelzung ist die mechanische Festigkeit des Grenzflächenfilms der Tröpfchen der wichtigste Faktor für die Stabilität der Emulsion. Um dem Grenzflächenfilm eine ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen, muss er kohärent sein – seine Tensidmoleküle müssen durch starke laterale Kräfte zusammengehalten werden. Der Film muss zudem eine gute Elastizität aufweisen, damit er sich bei lokalen Beschädigungen durch Tröpfchenkollisionen spontan reparieren kann.
(2) Elektrische Wechselwirkungen
Die Oberflächen von Tröpfchen in Emulsionen können aus verschiedenen Gründen Ladungen annehmen: Ionisierung ionischer Tenside, Adsorption spezifischer Ionen an der Tröpfchenoberfläche, Reibung zwischen Tröpfchen und dem umgebenden Medium usw. In Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W) spielt die Ladung der Tröpfchen eine entscheidende Rolle, um Aggregation, Koaleszenz und schließlich das Aufbrechen der Emulsion zu verhindern. Gemäß der Theorie der Kolloidstabilität ziehen Van-der-Waals-Kräfte die Tröpfchen zusammen; nähern sich die Tröpfchen jedoch so weit an, dass sich ihre Oberflächen-Doppelschichten überlappen, verhindert die elektrostatische Abstoßung eine weitere Annäherung. Überwiegt die Abstoßung die Anziehung, ist die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen und Koaleszenz der Tröpfchen geringer, und die Emulsion bleibt stabil; andernfalls kommt es zur Koaleszenz und schließlich zum Aufbrechen der Emulsion.
Bei Wasser-in-Öl (W/O)-Emulsionen tragen die Wassertröpfchen nur eine geringe Ladung, und da die kontinuierliche Phase eine niedrige Dielektrizitätskonstante und eine dicke Doppelschicht aufweist, haben elektrostatische Effekte nur einen geringen Einfluss auf die Stabilität.
(3) Sterische Stabilisierung
Wenn Polymere als Emulgatoren dienen, verdickt sich die Grenzschicht deutlich und bildet einen robusten lyophilen Schutzschild um jedes Tröpfchen – eine räumliche Barriere, die das Annähern und den Kontakt der Tröpfchen verhindert. Die lyophile Natur der Polymermoleküle schließt zudem eine beträchtliche Menge an Flüssigkeit der kontinuierlichen Phase in der Schutzschicht ein, wodurch diese gelartig wird. Folglich weist die Grenzflächenregion eine erhöhte Grenzflächenviskosität und günstige Viskoelastizität auf, was das Verschmelzen der Tröpfchen verhindert und die Stabilität erhält. Selbst wenn es zu einer gewissen Koaleszenz kommt, lagern sich die Polymeremulgatoren häufig an der verkleinerten Grenzfläche in faseriger oder kristalliner Form an, verdicken den Grenzflächenfilm und verhindern so ein weiteres Zusammenfließen.
(4) Gleichmäßigkeit der Tropfengrößenverteilung
Wird ein bestimmtes Volumen einer dispergierten Phase in Tröpfchen unterschiedlicher Größe zerteilt, weist das System mit größeren Tröpfchen eine kleinere Gesamtgrenzfläche und somit eine geringere Grenzflächenenergie auf, was zu einer höheren thermodynamischen Stabilität führt. In einer Emulsion, in der große und kleine Tröpfchen koexistieren, schrumpfen die kleinen Tröpfchen, während die großen wachsen. Setzt sich dieser Prozess ungehindert fort, kommt es schließlich zum Zerfall der Emulsion. Daher ist eine Emulsion mit einer engen, gleichmäßigen Tröpfchengrößenverteilung stabiler als eine, deren mittlere Tröpfchengröße zwar gleich ist, deren Größenverteilung aber breit ist.
(5) Einfluss der Temperatur
Temperaturschwankungen können die Grenzflächenspannung, die Eigenschaften und die Viskosität des Grenzflächenfilms, die relative Löslichkeit des Emulgators in den beiden Phasen, den Dampfdruck der flüssigen Phasen und die thermische Bewegung dispergierter Tröpfchen verändern. All diese Veränderungen können die Stabilität der Emulsion beeinträchtigen und sogar eine Phasenumkehr oder einen Phasenbruch auslösen.
Veröffentlichungsdatum: 27. November 2025