FT-Rheologie an Emulsionen

Bild 1: Beispiele für die Verwendung von Emulsionen im täglichen Gebrauch.

Zur Herstellung von Materialien mit neuen Eigenschaften, aber ohne aufwendige Syntheseschritte, werden häufig bereits bekannte Materialien einfach miteinander gemischt. Dazu zählen unter anderem auch Polymermischungen und Emulsionen. Im täglichen Gebrauch begegnet man ihnen in der Polymerindustrie, in der Nahrungsmittelindustrie, der Pharmakologie und in der Kosmetik. Einige Beispiele sind Farben (kolloide Pigment Dispersionen), Reinigungsmitteln (Emulgatoren), farbige Gläser (Dispersion aus festen anorganischen Pigmenten in einer Glasmatrix), Kosmetik (Emulsionen) und Salben (Gele) (Bild 1). Die Mikrostruktur von verdünnten Emulsionen im Ruhezustand besteht aus kugelförmigen Tropfen in einer kontinuierlichen Matrix (Bild 2).

Bild 2: Emulsionen in Ruhe (links), unter nicht-linearer Deformation (mitte) und nach nicht-linearer Deformation wieder in Ruhe sind die Tropfen aufgebrochen (rechts).

Die Tropfengröße und Tropfengrößenverteilung bestimmen dabei massiv die mechanischen Eigenschaften, wodurch sie großen Einfluss auf den Herstellungsprozess des Endproduktes haben. Das wiederum führte in den letzten Jahrzehnten zur intensiven Forschung an der quantitativen Bestimmung und Kontrolle der Morphologie der Mischungen mit nicht invasiven Messmethoden, wie z.B. der direkten mikroskopischen optischen Methoden, der Lichtstreuung, rheologischen Untersuchungen, usw.
Unser Forschungsprojekt befasst sich mit der Bestimmung der Tropfengrößenverteilung in verdünnten und kommerziellen Emulsionen mittels sogenannter Fourier Transformations Rheologie (FTR), siehe auch FT-Rheologie auf der Homepage. FTR ist ein oszillatorisches Scherexperiment mit großer Amplitude (large amplitude oscillatory shear, LAOS). Die Antwort der Probe ist nicht länger linear, sondern besteht aus einer Überlagerung der Anregungsfrequenz und dessen ungeraden höheren Harmonischen. Die Intensität und Phase der Obertöne beinhalten Information über die Tropfengrößenverteilung bei bekannter Grenzflächenspannung beziehungsweise umgekehrt.

Bild 3: Kommerzielle Emulsion unter nicht-linearer oszillatorischer Beanspruchung (LAOS). Der Rekord war der 147. Oberton im Spektrum.

Die hohe Sensitivität der LAOS Messungen bei hochgefüllten Emulsionen (Bild 3) führt zu einer Vielzahl an Obertönen und soll in Zukunft für die Berechnung der Tropfengrößenverteilung beziehungsweise der Grenzflächenspannung genutzt werden.