Die Stabilität von Dispersionen beschreibt, wie lange eine Dispersion ihre ursprünglichen Eigenschaften beibehält. Im Laufe der Zeit verändern verschiedene Destabilisationsprozesse die Teilchenverteilung in einer Dispersion. In der Praxis ist die Untersuchung und Bestimmung dieser Prozesse von Bedeutung, wenn Dispersionen über einen längeren Zeitraum hinweg gelagert werden, ohne dass sich ihre Eigenschaften verändern sollen.

Wie kann die Stabilität von Dispersionen untersucht werden?

Dispersionen sind heterogene Systeme, die aus mindestens zwei nicht mischbaren Phasen bestehen. Die Stabilität dieser Systeme beschreibt, wie lange eine Dispersion ihre ursprünglichen Eigenschaften während der Lagerung beibehält. Man spricht hier auch von der Lagerstabilität.

Oft untersuchen Labormitarbeiter, Produktentwickler und Wissenschaftler die Stabilität von Dispersionen mit einem sogenannten „Shelf-Life-Test“. Die Proben werden dazu unter den gegebenen Lagerbedingungen gelagert, um zu untersuchen, ab wann Destabilistationsprozesse sichtbar sind, die zu einer Auftrennung der einzelnen Phasen in der Dispersion führen. Solche Untersuchungen werden oft mit dem bloßen Auge durchgeführt und sind somit subjektiv und nur eingeschränkt vergleichbar. Zusätzlich brauchte es oft einige Zeit, bis Änderungen in der Dispersion für das menschliche Auge sichtbar werden.

Eine Alternative bieten optische Untersuchungen der Stabilität mit einem Dispersionsstabilitäts-Analysesystem wie dem MultiScan MS 20 von DataPhysics Instruments. Mit einem solchen Analysesystem können schon kleinste Veränderungen in der Dispersion erkannt werden. Die begleitende Software macht die Ergebnisse solcher Untersuchungen quantifizierbar und damit vergleichbar.

Welche Prozesse können die Stabilität von Dispersionen beeinflussen?

In Dispersionen können verschiedene Destabilisationsprozesse auftreten, die zur Veränderung der Dispersion führen und so ihre Stabilität beeinflussen. Wichtige Destabilisationsprozesse sind Sedimentation, Aufrahmung, Koaleszenz, Agglomeration und Aggregation.

Sedimentation und Aufrahmung treten aufgrund der Gravitation und des Dichteunterschieds der verschiedenen Dispersionsbestandteile auf. Dichtere (“schwerere“) Partikel oder Tropfen sinken zu Boden. Diesen Vorgang nennt man Sedimentation. Sie führt zur Bildung von Sedimenten am Boden und trägt so zu einer Trennung der Dispersion bei. Die beiden Vorgänge sind in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

Weniger dichte („leichtere“) Bestandteile können in der kontinuierlichen Phase aufsteigen. Diesen Prozess nennt man Aufrahmen. Er tritt etwa bei Dispersionen auf, in denen Öltröpfchen in Wasser vorliegen. Die Migration zur Oberfläche führt in Öl-Wasser-Dispersionen zur Bildung einer Ölschicht. Die Geschwindigkeit von Sedimentation oder Aufrahmung hängt im Wesentlichen vom Dichteunterschied zwischen disperser und kontinuierlicher Phase, der Partikel- oder Tropfengröße sowie der Viskosität der kontinuierlichen Phase ab.

Koaleszenz ist ein Prozess, bei dem Tropfen oder Partikel der dispergierten Phase miteinander verschmelzen (siehe Abbildung 3). Durch die Brownsche Bewegung kommt es zu Kollisionen zwischen dispergierten Tropfen oder Partikeln. Bei dieser Kollision können die dispergierten Anteile zu einer größeren Einheit verschmelzen. Die einzelnen Teilnehmer sind anschließend nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Dieser Prozess führt zu einer allmählichen Vergrößerung der Partikel- oder Tropfengröße und kann nachfolgend Destabilisationsprozesse wie Sedimentation oder Aufrahmung beschleunigen.

Da die Agglomeration und Aggregation sehr ähnliche Prozesse beschreiben und experimentell schwer zu unterscheiden sind, werden die Begriffe in der Fachliteratur teilweise austauschbar verwendet. Bei der Agglomeration formen dispergierte Partikel oder Tropfen durch schwache Anziehungskräfte wie Van-der-Waals Kräfte lose Verbände, sogenannte Cluster (siehe Abbildung 3). Die Partikel oder Tropfen bleiben hier, anders als bei der Koaleszenz, als einzelne Teile identifizierbar. Agglomerationscluster lassen sich in der Regel leicht durch mechanische Einflüsse, wie etwa das Schütteln der Dispersion, wieder auflösen.

Bei der Aggregation sammeln sich ebenfalls mehrere Tropfen oder Partikel zu einem Cluster zusammen (siehe Abbildung 3). Bei der Aggregation sind diese durch stärkere Kräfte wie Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden und so schwerer wieder voneinander lösbar. Es findet allerdings keine vollständige Verschmelzung, wie bei der Koaleszenz, statt. Sowohl Agglomeration als auch Aggregation werden unter anderem durch einen höheren Salzgehalt in der Lösung begünstigt, da so abstoßende elektrostatische Kräfte zwischen den einzelnen Bestandteilen abgeschwächt werden.

Dies sind die am häufigsten auftretende Prozesse, welche die Stabilität von Dispersionen beeinflussen. Neben diesen Prozessen gibt es noch weitere, wie die Ostwald-Reifung, Dehydration uns eine Phasentrennung aufgrund von Gelbildung oder Kristallisation. Diese können gleichzeitig oder auch nacheinander auftreten. Externe Faktoren, also Umgebungsbedingungen wie pH-Wert und Temperatur, können die Stabilität von Dispersion zusätzlich beeinflussen und sollten deshalb im experimentellen Versuchsaufbau kontrolliert werden.

Warum ist die Untersuchung der Stabilität von Dispersionen so wichtig?

Die Stabilität von Dispersionen ist in vielen Anwendungsgebieten, wie der Lebensmittelindustrie, der Pharmazie, der Kosmetik, der Umwelttechnologie sowie bei der Herstellung von Farben und Beschichtungen von besonderer Bedeutung. In diesen Industriezweigen ist es bei der Herstellung von Produkten entscheidend, dass Dispersionen während der Lagerung und Anwendung ihre gewünschten Eigenschaften beibehalten, um die Qualität, Wirksamkeit und Sicherheit der Produkte sicherzustellen.

Oft werden in solchen Produkten zusätzliche Stoffe eingesetzt, welche die Stabilität der Dispersion auch über lange Zeiträume hinweg gewährleisten. Zu diesen Stoffen zählen chemische Additive, Emulgatoren, Stabilisatoren oder Verdickungsmittel, welche die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln oder Tropfen modifizieren und somit die Neigung zur Aggregation oder Koaleszenz verringern. In vielen Anwendungen ist die gezielte Steuerung dieser Prozesse von Vorteil, um eine gewünschte Textur, Wirkstoff-Freisetzung, einen gewünschten Geschmack oder ein bestimmtes Aussehen zu erzielen. In der Forschung und Entwicklung wird deshalb kontinuierlich daran gearbeitet, neue Strategien zur Stabilisierung von Dispersionen zu entwickeln, um die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen zu erfüllen. Eine quantitative Analyse der Stabilität von Dispersionen ist dabei unumgänglich.

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