Was versteht man unter der Mischungsstabilität?

Abbildung 1: In der Praxis ist die Untersuchung und Bestimmung der Mischungsstabilität von Bedeutung, wenn Dispersionen über einen längeren Zeitraum hinweg gelagert werden, ohne dass sich ihre Eigenschaften verändern sollen.

Die Mischungsstabilität von flüssigen Dispersionen beschreibt, wie lange die Dispersion in ihrer Mischung stabil bleibt. Eine quantifizierbare Methode zur Untersuchung der Mischungsstabilität ist die Multiple-Light-Scattering-Methode. Daraus kann der Stabilitätsindex berechnet werden, eine einfache Größe zur Bestimmung und zum Vergleich verschiedener Mischungsstabilitäten.

Wie können Dispersionen eingeteilt werden?

Dispersionen sind heterogene Systeme, die aus mindestens zwei nicht mischbaren Phasen bestehen. Man unterscheidet dabei die disperse und die kontinuierliche Phase. Die disperse Phase besteht aus kleineren Partikeln oder Tropfen, die in der kontinuierlichen Phase verteilt sind. Die kontinuierliche Phase ist in der Regel in größerer Menge vorhanden und umgibt die dispersen Bestandteile.

Dispersionen können nach den Aggregatszuständen der dispersen und kontinuierlichen Phase unterteilt werden. Flüssige Dispersionen, bei denen die kontinuierliche Phase flüssig ist, können in drei Klassen unterteilt werden: Eine Emulsion entsteht, wenn sowohl die kontinuierliche als auch die disperse Phase flüssig sind. Eine Suspension entsteht, wenn die kontinuierliche Phase flüssig und die disperse Phase fest sind. Ein Schaum entsteht dann, wenn die kontinuierliche Phase flüssig und die disperse Phase gasförmig ist.

Die Mischungsstabilität dieser Systeme beschreibt, ob und in welcher Form sich die kontinuierliche und disperse Phase vermischen. Man spricht hier auch von der Lagerstabilität oder Haltbarkeit der flüssigen Dispersion.

Welche Prozesse können die Stabilität von Dispersionen beeinflussen?

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Messprinzips des MultiScan 20 zur Untersuchung der Mischungsstabilität

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Messprinzips des MultiScan MS 20 zur Untersuchung der Mischungsstabilität

Dispersionen bestehen, wie oben erwähnt, aus zwei nicht mischbaren Phasen. Mit der Zeit verändern sich Position und Verhältnis der Moleküle und Teilchen der beiden Phasen zueinander. Man spricht hierbei auch von Destabilisationsprozessen. In Dispersionen können verschiedener solcher Destabilisationsprozesse auftreten. Sie führen zur Veränderung der Dispersion und beeinflussen so ihre Stabilität. Wichtige Destabilisationsprozesse sind Sedimentation, Aufrahmung, Koaleszenz, Agglomeration und Aggregation sowie die Ostwald-Reifung.

Untersuchung der Mischungsstabilität mit der Static-Multiple-Light-Scattering-Methode

Eine Möglichkeit, die Mischungsstabilität zu quantifizieren, besteht in optischen Untersuchungen der Stabilität. Solche Tests können mit einem Dispersionsstabilitäts-Analysesystem wie dem MultiScan MS 20 von DataPhysics Instruments durchgeführt werden. Mit solchen Analysesystemen können schon kleinste Veränderungen in der Dispersion erkannt werden.

Die dafür verwendete Messmethode nennt sich Static-Multiple-Light-Scattering-Methode (SMLS). Die flüssige Probe wird 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 (siehe Abb. 2).

Detektor und Lichtquellen scannen die Probe von unten bis oben in regelmäßigen Abständen ab. So lassen sich Veränderungen des transmittierten und rückgestreuten Lichts positions- und zeitaufgelöst bestimmen.

Klassifizierung der Mischungsstabilität mit dem Stabilitäts-Index

In vielen Anwendungen ist es nötig, die Mischungsstabilität verschiedener Dispersionen zu vergleichen. Um diesen Vergleich in der Praxis zu vereinfachen, kann man den sogenannten MultiScan Stabilitäts-Index heranziehen. Der MultiScan Stabilitäts-Index besteht aus einer einzigen Zahl, der die globale Mischungsstabilität der Probe beschreibt.

Der MultiScan Stabilitäts-Index stellt dabei eine Aggregation aller zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Signale für das transmittierte und rückgestreute Licht dar. Geht der Stabilitäts-Index gegen null, findet so gut wie keine Destabilisierung in der gemessenen Zeitskala statt. Ist der Index höher, ist die Probe weniger stabil.

Mischungsstabilität in der Praxis

In der Praxis ist die Untersuchung und Bestimmung der Mischungsstabilität von Bedeutung, wenn Dispersionen über einen längeren Zeitraum hinweg gelagert werden, ohne dass sich ihre Eigenschaften verändern sollen. In anderen Anwendungen ist die Bestimmung von Bedeutung, wenn sich eine Probe möglichst schnell entmischen soll.

In der Lebensmittelindustrie ist die Mischungsstabilität beispielsweise bei Säften, Milch oder Smoothies von Bedeutung. Hier müssen Sedimentation oder Aufrahmung verhindert werden, um über die gesamte Lagerzeit ein homogenes Produkt mit gleichbleibender Textur und Geschmack zu gewährleisten.

Auch in der Kosmetikbranche ist die Stabilität von Cremes, Lotionen, oder Make-up-Produkten essenziell, da eine Phasentrennung oder Klumpenbildung die Anwendung, Haltbarkeit und optischen Eigenschaften beeinträchtigen würde.

In der Pharmaindustrie wiederum hängt die Qualität von Sirupen, Injektionspräparaten oder Impfstoffformulierungen stark von der Stabilität ab, da Destabilisierungsprozesse hier nicht nur zu Wirksamkeitsverlust, sondern auch zu Sicherheitsrisiken führen können.

Ebenso ist die Lack- und Farbenindustrie auf stabile Pigmentdispersionen angewiesen, um Farbe, Deckkraft und eine gleichmäßige Verarbeitung sicherzustellen. Instabilitäten äußern sich hier schnell in Ausflockungen oder ungleichmäßigen Farbergebnissen.

Schließlich spielt die Messung von Destabilisierungsprozessen auch in der Erdöl- und Energiewirtschaft eine wichtige Rolle, da beispielsweise die Stabilität von Öl-Wasser-Emulsionen maßgeblich über die Effizienz von Trennprozessen entscheidet und auch Schmierstoffe oder Treibstoffe nur dann ihre volle Funktionalität und Lagerfähigkeit behalten, wenn sie stabil bleiben.

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