AR297

Grenzflächenrheologie von partikelbeladenen Grenzflächen

Bildung und Stabilität von Pickering-Emulsionen

Ein Gastbeitrag von der University of Calgary in Alberta (Kanada)

Grenzflächenspannungsmessungen werden üblicherweise durchgeführt, um die Adsorption von Tensiden und Partikeln an Flüssigkeitsgrenzflächen zu quantifizieren. Obwohl diese Tests wertvolle Informationen über die Bildung von Emulsionen liefern, geben sie keinen Aufschluss über die Struktur der erzeugten Grenzflächenschicht zwischen Partikeln und Tensiden, welche die Stabilität von Emulsionen wiedergibt. Wir untersuchen den Einfluss von Cellulose-Nanokristallen (CNC) als umweltfreundliche und biokompatible Quelle für die Dispersion von Nanopartikeln auf die Viskoelastizität der Öl-Wasser-Grenzfläche und folglich auf die Bildung und Stabilität von Emulsionen. Durch den Vergleich der Viskoelastizitätsdaten mit konfokalen und kryogenen rasterelektronenmikroskopischen Bildern der Öl-Wasser-Grenzfläche fanden wir heraus, dass der hohe Viskoelastizitätsmodul mit den vernetzten Strukturen der oberflächenaktivierten CNC-Partikel an der Grenzfläche korrespondiert. Messungen der Grenzflächenrheologie werden in Öl-Wasser-Systemen durchgeführt, in denen beide Flüssigkeiten eine niedrige Viskosität aufweisen, um den volumenviskosen Einfluss zu minimieren. Vor den Hintergrund der breiten Anwendung hochviskoser Öle in der Lebensmittel-, Pharma- und Ölindustrie entwickeln wir eine Emulgierbarkeits-Map, um unsere Erkenntnisse auf hochviskose Öle zu übertragen, für welche die Kenntnis des grenzflächenviskoelastischen Verhaltens erforderlich ist.

Hintergrund

Cellulose-Nanokristalle (CNC) sind natürliche, stäbchenförmige und hochkristalline kolloidale Partikel, die aus Holz, Baumwolle oder anderen pflanzlichen Quellen gewonnen werden. CNCs haben als Stabilisatoren von Emulsionen viel Aufmerksamkeit erhalten. In CNC-stabilisierten Emulsionen verhindern die Adsorption von CNCs an der Grenzfläche, ihre Oberflächenladung und ihre beträchtliche Größe die Koaleszenz von Tröpfchen, was zu einer hohen Stabilität der so gebildeten Pickering-Emulsionen führt. Die Auswirkungen der elektrostatischen Kräfte und der sterischen Abstoßung auf die CNC-stabilisierten Emulsionen wurden in der Literatur ausführlich untersucht [1, 2]. Den mechanischen Eigenschaften von CNCs an Flüssig-Flüssig-Grenzflächen wurde jedoch weniger Aufmerksamkeit geschenkt.

 

Die Viskoelastizität der Grenzfläche, die die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche darstellt, kann die Eigenschaften von Flüssig-Flüssig-Grenzflächen erheblich beeinflussen. Die Reaktion beweglicher Grenzflächen auf gezielte Verformungen wird zur Charakterisierung der Beständigkeit des Grenzflächenfilms verwendet [3, 4].

 

Die Dilatationsgrenzflächenrheologie gibt Aufschluss über zwei Grenzflächeneigenschaften, nämlich Elastizität und Viskosität, die sich aus der Veränderung der Oberfläche ergeben. Beide Eigenschaften haben einen unterschiedlichen Einfluss auf die Bildung und Stabilität von Emulsionen. Die Abhängigkeit der Grenzflächen­spannung (GFS) vom Grad und der Geschwindigkeit der Veränderung der Oberfläche wird als Oberfläche­nelastizität bzw. Viskosität bezeichnet. Elastizitäts- (Speicher-) und Viskositätsmodul (Verlustmodul) werden durch sinusförmige Änderung der Grenzfläche und Messung der daraus resultierenden GFS über die Zeit ermittelt. Die Reaktion der Grenzfläche wird durch die Summierung der viskosen und elastischen Beiträge als

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