Mikroemulsionen sind Dispersionen, die aus Öl, Wasser und Tensiden bestehen. Sie unterscheiden sich von anderen Dispersionen, da sie spontan stabile Strukturen bilden. Man unterscheidet dabei verschiedene Phasen, die als Winsor-Phasen beschrieben werden. Eine Messmethode zur Analyse von Mikroemulsionen ist die Static-Multiple-Light-Scattering-Methode.

Was sind Mikroemulsionen?

Mikroemulsionen sind Dispersionen von Öl, Wasser und Tensid, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften von herkömmlichen Emulsionen unterscheiden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Emulsionen, bei denen sich Öl und Wasser normalerweise nicht miteinander mischen, bilden Mikroemulsionen spontan stabile Strukturen. Diese bestehen aus winzigen Tropfen einer Phase (z.B. Öl), die in einer anderen Phase (z.B. Wasser) verteilt sind und von einer Tensid-Schicht umgeben werden.

Die chemische Struktur der Tenside ist entscheidend für die Bildung und Stabilität von Mikroemulsionen. Tenside sind amphiphile Moleküle, die hydrophile (wasserliebende) und lipophile (ölliebende) Bereiche haben. Diese Struktur ermöglicht es den Tensiden, Öltröpfchen in wässrigen Medien zu stabilisieren, indem sie die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser reduzieren. Die Wahl der Tenside und ihrer Konzentration beeinflusst die Struktur der Mikroemulsion. Dies kann Auswirkungen auf die Löslichkeit von Verbindungen in den Öltröpfchen oder Mizellen haben. Polarität und Löslichkeit sind wichtige Faktoren bei der Formulierung von Mikroemulsionen für verschiedene Anwendungen.

Eine der herausragendsten physikalischen Eigenschaften von Mikroemulsionen ist die winzige Größe der Öltröpfchen oder Mizellen, die oft im Bereich von Nanometern liegen. Diese geringe Größe führt zu einer großen Oberfläche und einer hohen Stabilität der Mikroemulsion. Aufgrund ihrer geringen Tropfengröße und geringen Viskosität können Mikroemulsionen relativ flüssig sein. Diese Eigenschaft kann von Vorteil sein, wenn eine gleichmäßige Verteilung von Inhaltsstoffen erforderlich ist. Mikroemulsionen können als Reaktionsmedien dienen, in denen chemische Reaktionen ablaufen können. Die winzigen Tropfen oder Mizellen bieten eine große Oberfläche für Reaktionen, während die Anwesenheit von Tensiden die Umgebung für bestimmte Reaktionen zugänglicher machen kann.

Phasenverhalten von Mikroemulsionen

Die Winsor-Stadien, benannt nach P.A. Winsor, beschreiben die verschiedenen Phasenverteilungen, die in Mikroemulsionen auftreten können (siehe Abbildung 2). Winsor I ist eine Öl-in-Wasser-Mikroemulsion, bei der die Wasserphase kontinuierlich ist und kleine Öltröpfchen durch Tenside stabilisiert werden und es liegt zusätzlich überschüssiges Öl vor; typischerweise tritt dieser Zustand bei hydrophilen Tensiden auf. Winsor II entspricht dem Gegenteil, einer Wasser-in-Öl-Mikroemulsion, in der die Ölphase kontinuierlich ist, die Tenside die Wassertröpfchen stabilisieren, und überschüssiges Wasser vorhanden ist; dies tritt bei lipophilen Tensiden auf. Winsor III beschreibt ein dreiphasiges System, bestehend aus einer Überschussphase Öl, einer Überschussphase Wasser und einer bikontinuierlichen Mikroemulsions-Mittelphase, die sowohl Öl- als auch Wasserkanäle enthält; dieser Zustand entsteht bei Tensiden mit ähnlicher Affinität zu Öl und Wasser. Alle Typen sind thermodynamisch stabil. Durch Anpassung der Temperatur und des Salzgehalts der Wasserphase wechselt das System zwischen den drei verschiedenen Typen.

Mikroemulsionsgemische werden aufgrund ihrer hohen Rohölausbeute häufig für Verfahren der tertiären Ölgewinnung (EOR) angestrebt. Im Allgemeinen bestehen solche Gemische aus einer thermodynamisch stabilen Dispersion aus Rohöl, Tensid und Wasser oder Sole. Das Phasenverhalten des Gemisches ändert sich bei Anpassung von Temperatur, Salzgehalt und Druck von Winsor I über Winsor III zu Winsor II. Für verbesserte Ölgewinnungsverfahren ist die Winsor-III-Phase am besten geeignet, da sie die niedrigste Grenzflächenspannung (10⁻²…10⁻⁴ mN/m) aufweist und die Tenside am effizientesten eingesetzt werden. Daher wird das Phasenverhalten intensiv erforscht, um die richtigen Tenside, den richtigen Salzgehalt und die richtige Temperatur für ideale Förderbedingungen zu finden.

Messung von Mikroemulsionen

Die Charakterisierung von Mikroemulsionen erfordert fortschrittliche Techniken, die ihre komplexen Strukturen erfassen können. Eine Methode zur Analyse ist eine optische Untersuchung der Mikroemulsion, zum Beispiel mit Hilfe der Static-Multiple-Light-Scattering-Methode. Solche Analysen können etwa mit einem Dispersionsstabilitätsanalysesystem wie dem MultiScan MS 20 von DataPhysics Instruments durchgeführt werden.

Um eine Analyse durchzuführen, wird die flüssige Mikroemulsion in ein rundes Gefäß gefüllt und in einen Messturm gestellt. Im Messturm befinden sich zwei Lichtquellen und ein Lichtdetektor. Eine Lichtquelle befindet sich gegenüber dem Detektor und durchleuchtet die Probe – der Detektor erfasst das transmittierte Licht. Die zweite Lichtquelle befindet sich neben dem Detektor – der Detektor erfasst das rückgestreute Licht. Detektor und Lichtquellen scannen die Probe von oben bis unten in regelmäßigen Abständen ab. So lassen sich Veränderungen des transmittierten und rückgestreuten Lichts positions- und zeitaufgelöst bestimmen.

Mikroemulsionen in der Praxis

Die einzigartigen Eigenschaften von Mikroemulsionen haben zu einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Bereichen geführt:

• Mikroemulsionen werden als Trägersysteme für pharmazeutische Wirkstoffe verwendet, um deren Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zu verbessern.
• In der Kosmetikindustrie werden Mikroemulsionen für die Herstellung von Hautpflegeprodukten, Sonnenschutzmitteln und Make-up genutzt. Die feinen Tropfenstrukturen ermöglichen eine angenehme Textur und eine verbesserte Verteilung der Inhaltsstoffe auf der Haut.
• Häufig werden Mikroemulsionen verwendet, um fettlösliche Vitamine und Aromen in wässrigen Lebensmitteln zu stabilisieren und zu verteilen. Sie können auch zur Verbesserung der Textur und Geschmack von Lebensmitteln beitragen.
• In der Erdölindustrie (EOR) werden Mikroemulsionen eingesetzt, um Öl aus Ölvorkommen zu extrahieren. Sie können die Viskosität des Öls reduzieren und somit die Ausbeute erhöhen.
• Mikroemulsionen dienen als Reaktionsmedien, in denen chemische Reaktionen in kontrollierter Umgebung stattfinden können. Sie werden auch zur Herstellung von Nanopartikeln und funktionalisierten Materialien verwendet.
• Ein weiterer Nutzungsbereich von Emulsionen sind Reinigungs- und Entfettungsprodukte, da sie Schmutz und Fett effektiv emulgieren können.

Insgesamt sind Mikroemulsionen vielseitige und wichtige Werkzeuge in einer breiten Palette von Anwendungen. Die Fähigkeit, Öl und Wasser effektiv zu mischen und stabil zu emulgieren, macht sie zu attraktiven Optionen in vielen Branchen.