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Emulsionen

Struktur- und Eigenschaftsanalyse

Emulsionen begegnen uns tagtäglich. Ob als Hautcreme, Mayonnaise oder industrieller Schmierstoff. Aber wie wird dafür gesorgt, dass sie ihre Eigenschaften behalten, auch langfristig und unter unterschiedlichen Bedingungen wie Hitze oder Bewegung?

Emulsionen sind fein verteilte Gemische zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten. Sie spielen eine wichtige Rolle in Lebensmitteln, Kosmetik, Pharmazie und vielen anderen Bereichen. Für geforderte Eigenschaften von Emulsionen, aber auch für eine gute Langzeitstabilität, wird die Verteilung der Tröpfchengrößen im Herstellungsprozess definiert eingestellt.

Sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung von Emulsionen können hohe Drehzahlen oder Fließgeschwindigkeiten auftreten und damit hohe Schergeschwindigkeiten (10.000 s–1 bis 100.000 s–1). Die Schergeschwindigkeit ist das Verhältnis von Bewegungsgeschwindigkeit zu Probendicke (angegeben mit dem Symbol γ⋅ und der Einheit 1/Sekunde). Hohe Schergeschwindigkeiten oder lange Scherdauern können die gewünschten Strukturen und damit die Produkteigenschaften nachteilig verändern. Es kann beispielsweise zum Strukturbruch (Zerbrechen von Tröpfchen) kommen oder auch zu Koaleszenz, wobei viele Emulsionströpfchen zusammenfließen und sehr große Bereiche bilden können. Die spezifischen Eigenschaften eines Produkts, wie das Mundgefühl bei Lebensmitteln oder die Applikationseigenschaften von kosmetischen Emulsionen, können dadurch gravierend verschlechtert werden.

Um diese Fließeigenschaften eines Stoffes zu bestimmen und zu überwachen, werden sie mit Hilfe von Viskosimetern und Rheometern gemessen, also Messgeräten zur Ermittlung des Verformungs- und Fließverhaltens von Materialien. Kombiniert man ein Rheometer mit einem Mikroskop, so können Proben simultan in ihrem rheologischen Verhalten und ihrer mikroskopischen Struktur unter definierten Scher-, Zeit- und Temperaturbedingungen charakterisiert werden.

Als Lichtquelle für solche Mikroskopaufnahmen kann eine Kaltlichtleuchte dienen – allerdings werden erfahrungsgemäß ab Schergeschwindigkeiten von etwa 2.000 s–1 die Bilder unscharf. Verwendet man stattdessen eine Stroboskop-Lichtquelle, können auch bei hohen Schergeschwindigkeiten bis 50.000 s–1 scharfe und gut auswertbare Bilder aufgenommen werden.

Auf diese Weise können im Labor auch die Auswirkungen höherer Verarbeitungsgeschwindigkeiten und längerer Scherzeiten auf die Struktur/Eigenschafts-beziehungen von Emulsionen (und anderen Proben) untersucht werden.

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei Fischer Scientific GmbH. Titelbild: deree/shuttersock.com, Bild 1: Polytec GmbH