Tenside haben eine komplexe chemische Struktur. Deswegen besitzen sie verschiedene Eigenschaften und Funktionen. Aus diesem Grund werden sie in fast jeder Industrie eingesetzt. Ein Tensid hat in der Regel mehrere Eigenschaften, die seine Zielanwendung beeinflussen. Bei der Produktion von Tensiden ist die richtige Auswahl der Rohstoffe von entscheidender Bedeutung. In diesem Stadium werden die Parameter und physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Tenside und damit ihre anschließende Anwendung bestimmt. So werden z. B. bei der Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln Tenside mit sehr guten Schaum- und Benetzungseigenschaften eingesetzt, während in der Kosmetikindustrie Tenside verwendet werden, die gute Emulgatoren sind.
Wenn Tenside in einer Flüssigkeit gelöst oder dispergiert sind, werden sie an den Phasengrenzen adsorbiert, wodurch sich die Oberflächenspannung zwischen den Phasen ändert. Diese Verbindungen haben auch die Fähigkeit zur Mizellenbildung. Tenside zeichnen sich durch Beständigkeit gegen Alkali und hartes Wasser aus
Löslichkeit von Tensiden in Wasser
Tenside sind aufgrund ihrer hydrophil-hydrophoben Struktur in vielen Lösungsmitteln löslich.
Die Löslichkeit von ionischen Tensiden beruht auf ihrer Fähigkeit, zu dissoziieren und Ionen zu bilden. Die Löslichkeit von nichtionischen Tensiden aus der Gruppe der Polyoxyethylen- oder Polyoxypropylen-Verbindungen beruht dagegen auf der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen und Ether-Sauerstoff.
Die Löslichkeit in polaren Verbindungen resultiert aus dem Vorhandensein eines hydrophilen Fragments im Molekül. Je länger und weniger verzweigt die Kohlenwasserstoffkette ist, desto geringer ist die Löslichkeit in Wasser.
Die Löslichkeit von Tensiden in Wasser kann durch die Modifikation ihrer Struktur beeinflusst werden. Eine Erhöhung der Löslichkeit ist möglich durch das Einbringen einer Polyoxyethylengruppe in das Molekül oder nach Überschreiten des Krafft-Punktes, d.h. einer bestimmten Temperatur, oberhalb derer ein sprunghafter Anstieg der Löslichkeit durch Mizellenbildung auftritt. Die Löslichkeit eines Tensids in Wasser kann durch den Einbau von Propylenoxid-Molekülen in seine Struktur verringert werden.
Die Löslichkeit von Tensiden in Wasser hängt auch eng mit dem HLB-Wert (Gleichgewicht zwischen dem hydrophilen und hydrophoben Anteil) zusammen.
Oberflächenspannung von Tensiden
Unter Oberflächenspannung versteht man die Kräfte, die auf die Oberfläche zwischen Phasen wirken. Sie ist eine konstante und charakteristische Größe für jede Flüssigkeit, die stark von der Temperatur und der Umgebung abhängt, mit der die Flüssigkeit in Kontakt ist. Oberflächenspannung ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts der Kräfte, die auf die Moleküle an der Oberfläche der Flüssigkeit und in der Flüssigkeit wirken.
Tensidmoleküle werden an der Oberfläche der flüssigen Phase adsorbiert, wobei sie sich mit ihrem polaren Kopf zum Inneren der Flüssigkeit und ihrem hydrophoben Schwanz zur Luft hin orientieren. Infolge dieser Ausrichtung der Moleküle sinkt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Bei Zugabe größerer Mengen an Tensid verteilen sich die Tensidmoleküle ungeordnet in der Flüssigkeit, bis die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) überschritten wird. Dann beginnen die Moleküle, sich in Kugelformen zu organisieren, die Mizellen genannt werden.
Mit zunehmender Tensidkonzentration in der Lösung sinkt deren Oberflächenspannung bis zu einem gewissen Grad und bleibt unabhängig von einer weiteren Erhöhung der Substanzkonzentration konstant. Nichtionische Tenside senken die Oberflächenspannung am effektivsten.
Die Kenntnis der kritischen Mizellisierungskonzentration ist bei der Verwendung von Tensiden sehr wichtig. Sie bestimmt die Grenzkonzentration des verwendeten Tensids, die für den Einsatz im Produkt am besten geeignet ist.
Methoden zur Messung der Oberflächenspannung umfassen die stalagmometrische Methode, die Kapillaranstiegsmethode und die Blasendruck-Methode.
Schäumungseigenschaften von Tensiden
Unter Schäumungseigenschaften versteht man die Fähigkeit von Tensiden, Schaum zu bilden. Ihr Maß ist das Volumen des Schaums, der aus einer Lösung, die ein Tensid enthält, unter definierten Bedingungen erzeugt wird. Diese Eigenschaft von Tensiden resultiert aus ihrer Fähigkeit, Mizellen zu bilden und Luftblasen zu stabilisieren.
In reinen Flüssigkeiten findet der Schaumbildungsprozess nicht statt. Um Schaum zu erzeugen wird Luft oder ein anderes Gas in die Flüssigkeit mit dem entsprechenden Tensid eingeleitet. Dann erfolgt die Anordnung der Tensidmoleküle an der Flüssigkeit-Gas-Phasengrenze. Bei einer hohen Tensidkonzentration in der Lösung ordnen sich die Tensidmoleküle senkrecht zur Flüssigkeit-Gas-Phasengrenze an. Die hydrophilen „Köpfe“ richten sich zur Flüssigkeit hin aus, während die hydrophoben „Schwänze“ zur Luft hin ausgerichtet sind. Wenn Gasblasen aus der flüssigen Phase freigesetzt werden, werden Tensidmoleküle an der Gasoberfläche adsorbiert und bilden Schaum.
Die Schäumungseigenschaft von Tensiden hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. der Konzentration und der chemischen Struktur des verwendeten Tensids, dem pH-Wert der Lösung, dem Vorhandensein anderer Komponenten in der Lösung und der Wasserhärte. Tensidmoleküle mit einer Alkylkette aus 12-15 Atomen und einer Polyoxyethylenkette, die 10 bis 12 Oxyethylengruppen enthält, haben die stärkste Schäumungseigenschaft. Im Gegensatz dazu haben Tensidmoleküle mit einer Alkylkette von weniger als 10 und mehr als 16 Kohlenstoffatomen das schlechteste Schäumungsvermögen.
Die Schäumbarkeit von jedem Tensid kann durch Modifikationen in seiner Struktur gesteuert werden. Die Einführung einer Polyoxypropylen-Gruppe in das Tensidmolekül ermöglicht es, sein Schäumungsvermögen zu reduzieren, und die Zugabe von Ethylenoxid erhöht das Schäumungsvermögen des Tensids.
Die Schäumungseigenschaft von Tensiden spielt eine wichtige Rolle in vielen industriellen Anwendungen, z. B. bei Flotation von Mineralien, Herstellung von Detergenzien oder in der Lebensmittelindustrie. In manchen Fällen ist das Schäumen unerwünscht oder sogar schädlich. Dieses Phänomen stört vor allem in den Prozessen der Textilindustrie, des industriellen Waschens, und in automatischen Haushaltswaschmaschinen. Um das Schäumen von Tensiden zu beseitigen oder zu reduzieren, ist es möglich, Entschäumer (z. B. Silikonpräparate oder einige nichtionische Tenside) zu verwenden.
Tenside, die zu Entschäumern gehören, haben den HLB-Wert von 1,5 bis 3. Bei der Prüfung der Schaumbildungsfähigkeit von Tensiden werden neben dem Volumen des erzeugten Schaums auch dessen Stabilität und Dichte bewertet.
Das Benetzungsvermögen von Tensiden
Das Benetzungsvermögen ist eine weitere charakteristische Eigenschaft von Tensiden. Aufgrund der Fähigkeit der Moleküle, die Oberflächenspannung zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper zu senken und Luft von der Oberfläche von Festkörpern zu entfernen, wird die Verteilbarkeit eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche deutlich erhöht. Mit anderen Worten: Das Benetzungsvermögen bedeutet die Fähigkeit von Tensidmolekülen und deren Lösungen, sich auf der Oberfläche, auf die sie aufgetragen wurden, auszubreiten. Das Ergebnis dieses Phänomens ist eine Absenkung der Energiebarriere zwischen der Lösung und der benetzten Oberfläche. Das Phänomen führt zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche, was die Effektivität und Geschwindigkeit eines bestimmten Prozesses (wie z. B. Waschen) beeinflusst.
Vergleicht man eine reine Flüssigkeit mit einer Flüssigkeit mit einem Tensid-Zusatz, so ist ein deutlicher Unterschied in den von den beiden Tropfen belegten Oberflächen festzustellen.
Dank des Benetzungsvermögens von Tensiden ist es möglich, Gewebe schnell mit Wasser zu benetzen, wodurch der Waschvorgang beschleunigt wird. Diese Eigenschaft wird auch in der Landwirtschaft (z.B. bei der Benetzung von Blattoberflächen mit Spritzflüssigkeit), in der Farben- und Lackindustrie sowie in der Bauindustrie genutzt.
Die Größe, die die Fähigkeit einer Flüssigkeit beschreibt, einen Festkörper zu benetzen, ist der Kontaktwinkel Θ, d. h. der Winkel zwischen der benetzten Oberfläche und dem benetzenden Tropfen. Wenn der Winkel gleich Null ist, bedeutet dies eine vollständige Benetzung einer gegebenen Oberfläche durch einen Flüssigkeitstropfen. Ein Winkel von 0° < Θ < 90° ist charakteristisch für teilweise benetzende Flüssigkeiten, während ein Winkel von 90° < Θ < 180° teilweise nicht benetzende Flüssigkeiten kennzeichnet. Flüssigkeiten, die gar keine Benetzungsfähigkeit haben, weisen einen Kontaktwinkel Θ von 180° auf.
Emulgieren
Emulgieren ist die Bildung einer Suspension aus zwei unlöslichen, nicht mischbaren Substanzen, von denen mindestens eine flüssig ist. Durch diesen Vorgang entsteht ein heterogenes Dispersionssystem, eine so genannte Emulsion. Wenn beide Komponenten flüssig sind, ist eine Emulsion eine Suspension von Tröpfchen der einen Phase in der anderen. Dann ist eine der Flüssigkeiten die kontinuierliche Phase – die äußere Phase, und die andere ist die dispergierte Phase – die innere Phase. Damit ein solches System stabil ist, muss ein Tensid verwendet werden, das die Tröpfchen der einen Flüssigkeit umgibt, sie von der anderen Phase trennt und verhindert, dass sie sich zu größeren Aggregaten zusammenschließen. Dies wird durch die richtige Anordnung der Tensidmoleküle erreicht. Sie richten sich mit dem hydrophilen Kopf zum polaren Lösungsmittel und dem hydrophoben Schwanz zur unpolaren Phase hin aus. Auf diese Weise entstehen Öl-in-Wasser-Emulsionen, bei denen die kontinuierliche Phase polares Wasser mit dispergierter unpolarer Ölphase ist oder analog – W/O-Emulsionen, d.h. Wasser-in-Öl.
Mischungen von Gasen und Feststoffen in einer Flüssigkeit, Suspensionen von Silberverbindungen in einer Flüssigkeit (sog. fotografische Emulsion), und Mischungen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden (sog. Kraftstoff-Luft-Emulsion) sind keine Emulsionen.
Die Affinität eines Emulgators zur Ölphase und zur Wasserphase wird durch den HLB-Wert (Gleichgewicht zwischen dem hydrophilen und hydrophoben Anteil) beschrieben. Dieser Wert gibt an, ob ein bestimmtes Tensid Wasser-in-Öl- oder Öl-in-Wasser-Emulsionen besser stabilisiert. Emulgatoren mit einem HLB-Wert von weniger als 10 stabilisieren in der Regel Wasser-in-Öl-Emulsionen, während Emulgatoren mit einem HLB-Wert von über 10 Öl-in-Wasser-Emulsionen stabilisieren.
Ein wichtiger Faktor beim Emulgieren ist die Stabilität der entstehenden Emulsionen und die Leichtigkeit, mit der sie entstehen. Emulgatoren können eine Reihe von Eigenschaften und Anwendungen besitzen, die für die Erfüllung der beabsichtigten Funktion nützlich sind. Beispielhafte Anforderungen an Emulgatoren sind: Herabsetzen der Oberflächenspannung an der Phasengrenze, Verhinderung der Inversion, Stabilisierung von Emulsionen oder fehlende Toxizität und Geruch. In der Regel besitzen einzelne Emulgatoren nur einen Teil der gewünschten Eigenschaften, daher wird oft eine Mischung aus ausgewählten Emulgatoren verwendet.
Die Fähigkeit, Emulsionen zu bilden, ist entscheidend für den Einsatz von Tensiden in vielen Industriebranchen. Dank dieses Phänomens ist es möglich, Kosmetika, Farben, Klebstoffe, Lacke und Kunststoffe herzustellen. Darüber hinaus werden Tenside als Emulgatoren in der Metallurgie-, Lebensmittel-, Bergbau-, Kraftstoff-, Textil-, Chemie-, Bau- und vielen anderen Industrien eingesetzt.
Detergenzien
Die Reinigung ist der Prozess der Entfernung von Verschmutzungen. Sie erfolgt unter Beteiligung von Tensidmolekülen, die Schmutzpartikel umgeben und sich mit unpolaren Schwänzen, d.h. Kohlenwasserstoffketten, zu ihnen positionieren. Sie lösen dann die Verunreinigung vom Substrat ab und umgeben sie von allen Seiten, so dass eine Mizelle entsteht. Die so gebildete Emulsion erleichtert die Schmutzentfernung.
Es sollte erwähnt werden, dass Tenside in Kombination eine synergistische Wirkung zeigen. Synergismus ist ein Phänomen, bei dem die Wirkung von zwei oder mehr Komponenten größer ist als die Summe der Teileffekte jeder einzelnen Komponente.
