Grenzflächenrheologie
Eine Grenzfläche bezeichnet den Kontaktbereich zweier nicht miteinander mischbarer Phasen (z. B. eine Wasser-Öl-Grenzfläche). Das Interfacial Rheology System (IRS) dient zur Messung der rheologischen Eigenschaften einer Grenzflächenschicht zwischen zwei Flüssigkeiten oder zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas, etwa Luft. Es ermöglicht die Untersuchung des Einflusses verschiedener Tenside auf die Stabilität der Grenzflächenschicht (z. B. bei der Formulierung von Emulsionen oder Schäumen sowie bei Untersuchungen zur Tropfenstabilität) und erlaubt rheologische Messungen selbst an sehr schwach ausgeprägten Grenzflächenstrukturen.
Hintergrund
In Kombination mit einem MCR-Rheometer ermöglicht das IRS sogenannte zweidimensionale rheologische Messungen von Grenzflächenfilmen zwischen Luft und Flüssigkeit sowie zwischen zwei Flüssigkeiten.
Bei diesen Messungen wird die Schubspannung als Grenzflächenschubspannung τs in der Einheit [τs] = Pa·m angegeben. Die Viskosität wird als Grenzflächenscherviskosität ηs definiert, wobei gilt: τs = ηs · γ. Die Grenzflächenscherviskosität wird in der Einheit [ηs] = Pa·s·m = N·s/m oder in surface poise angegeben.
Ein spezielles Messsystem wird an der Grenzfläche positioniert und erfasst adsorbierte oder aufgespreitete Filme (z. B. von Proteinen oder Tensiden gebildete Filme).
Die beiden wichtigsten Messgeometrien in der Grenzflächenrheologie sind:
- Bikonus-Geometrie:
- Messung von Flüssig-Flüssig-Grenzflächen (Wasser/Öl) und Wasser/Luft-Grenzflächen
- Definiertes Scherfeld
- Geeignet für Messungen bei hohen Viskositäten
- Doppelwandring (DWR):
- Messung von Flüssig-Gas-Grenzflächen (Luft); Messungen an Flüssig-Flüssig-Grenzflächen (Wasser-Öl) nur eingeschränkt möglich
- Definiertes Scherfeld
- Geringer Einfluss der Subphase aufgrund der hohen Boussinesq-Zahl
Bitte beachten Sie: Die Grenzflächenscherrheologie ist nur sinnvoll, wenn an der Grenzfläche ein Film vorliegt. Zur Erzeugung von Grenzflächenfilmen gibt es zwei grundlegende Methoden: Spreiten oder Adsorption.
Spreitfilme (vor allem bei niedermolekularen Tensiden) werden in der Regel wie folgt hergestellt:
- Tensid in einem geeigneten Spreitlösungsmittel lösen (z. B. Hexan, Ethanol oder Chloroform)
- Lösung mit einer Mikrospritze direkt auf die Wasseroberfläche aufbringen
- Warten, bis das Lösungsmittel vollständig verdampft ist
- Ölphase auf den Tensidfilm aufgießen
Adsorptionsfilme (z. B. Proteinschichten an Grenzflächen) bilden sich durch Adsorption aus der Volumenphase an die Grenzfläche. Die Herstellung erfolgt dabei wie folgt:
- Proteine in destilliertem Wasser lösen
- Ölphase vorsichtig auf die wässrige Proteinlösung aufgießen
Das IRS ermöglicht in Kombination mit einem MCR-Rheometer und einer Bikonus- oder DWR-Geometrie grenzflächenrheologische Messungen selbst an sehr schwach ausgeprägten Grenzflächenstrukturen. Darüber hinaus lassen sich mit der Bikonus-Geometrie auch hohe Grenzflächenviskositäten messen.
Etablierte rheologische Standardtests liefern Rohdaten, aus denen anschließend die Grenzflächeneigenschaften berechnet werden können. In der Nachbearbeitung wird mithilfe der hydrodynamischen Strömungsfeldanalyse der Beitrag der Bulk- und Deckphase subtrahiert und die relevanten Grenzflächeneigenschaften der gemessenen Grenzflächenschicht berechnet. Messungen können im Rotations- und Oszillationsmodus durchgeführt werden und umfassen z. B. Fließkurven, Kriechversuche an Grenzflächenschichten sowie Oszillationsmessungen während der Filmbildung.
Die Temperatur wird mithilfe von Peltier-Elementen im Bereich von 5 °C bis 70 °C geregelt; der patentierte Normalkraftsensor im Luftlager des MCR-Rheometers ermöglicht die präzise Positionierung jeder an der Grenzfläche eingesetzten Geometrie.
Typische Tests in der Grenzflächenrheologie sind:
- Zeitabhängige Messungen zur Verfolgung der Filmbildung an Grenzflächen
- Fließkurven
- Amplitudensweeps
- Frequenzsweeps
Typische Anwendungen:
- Lebensmittel: Emulsionen und Schäume
- Konsumgüter: Emulsionen, Schäume und Tenside
- Pharmazeutika: Verkapselung und Wirkstofffreisetzung
- Produkte für die Ölindustrie: Tenside, Reibungsminderer und Wasser-Öl-Systeme
- Langmuir-Monoschichten: Filme an der Wasser-Luft-Grenzfläche
Messbeispiel
Die folgende Abbildung zeigt eine repräsentative Messung zur Charakterisierung der grenzflächenrheologischen Eigenschaften von Kaffeecrema. Sie veranschaulicht die Filmbildung derselben Kaffeeprobe bei drei unterschiedlichen Konzentrationen. Bei Messungen mit konstanter Deformation und konstanter Frequenz lassen sich die Adsorption sowie die Netzwerkbildung der oberflächenaktiven Inhaltsstoffe an der Flüssigkeit/Luft-Grenzfläche verfolgen. Bei höheren Konzentrationen zeigt der Film bereits nach kurzer Zeit elastisches Verhalten. Bei der niedrigsten Konzentration nehmen die Moduli über einen längeren Zeitraum weiter zu und erreichen selbst am Ende des Experiments noch keine Plateauwerte. Dies zeigt, dass die Filmbildung mit zunehmender Konzentration des Kaffeepulvers schneller erfolgt.
