Wenn sich zwei nicht mischen, helfen Tenside

 

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Tenside sorgen dafür, dass sich Flüssigkeiten, die sich normalerweise nicht mischen, miteinander vermengen, zum Beispiel Öl mit Wasser. Wir finden sie unter anderem in Waschmitteln. Silikontenside, polymere Tenside, bewirken diesen Effekt schon in kleinen Mengen, zum Beispiel bei Lacken und Druckfarben.

Oberflächenspannung senken

Lacke und Druckfarben werden als dünne Schichten auf verschiedene Untergründe appliziert. Diese Farb- oder Lackfilme besitzen, relativ zu ihrem Volumen, eine große Oberfläche und eine große Kontaktfläche zum jeweiligen Untergrund. Die Benetzung des Materials hängt in erster Linie von der Oberflächenspannung des flüssigen Lackes ab. Allgemein gilt, dass für eine gute Benetzung die Oberflächenspannung des Beschichtungsmittels niedriger sein sollte als die des Untergrundes (oder höchstens gleich groß). Ist die Oberflächenspannung des Lackes größer als die des zu beschichtenden Materials, so zieht sich die Beschichtung zusammen und perlt ab. Um die Oberflächenspannung zu senken, verwendet die Industrie Tenside. 

Was sind Tenside?

Tenside sind Substanzen, die die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen. Ihre Funktion lässt sich durch ihren molekularen Aufbau erklären. Sie bestehen allgemein aus einem hydrophoben (wasserabweisenden) und einem hydrophilen ("wasserliebenden") Molekülteil.

An der Wasseroberfläche bilden die Tenside ab einer bestimmten Konzentration eine dünne Schicht und senken damit die Oberflächenspannung des Wassers. Die Moleküle ordnen sich dann so an, dass sich ihre hydrophilen Enden in Richtung des Wassers und die hydrophoben Enden in Richtung der Luft orientieren.
 

Aufbau von Silikontensiden

Silikontenside sind eine Gruppe von polymeren Tensiden mit kleiner Molekülgröße, die eine Reihe an ungewöhnlichen Eigenschaften besitzen und deshalb vielfältig angewandt werden. Sie bestehen aus einem Silikongrundgerüst, Einheiten aus Silicium und Sauerstoff (Si-O), an das eine oder mehrere polare Gruppen gebunden sind. Großtechnische Bedeutung haben Silikontenside, deren Grundgerüst aus wenigen Si-O-Einheiten besteht und an eine Polyetherkette bindet. Der Polyether besteht aus nichtionischen Gruppen auf Basis von Polyoxyethylen und/oder Polyoxypropylen. Silikontenside sind somit chemisch polyether-modifizierte Dimethylsiloxane. 

Was macht die Silikontenside besonders?

Die Oberflächenspannung bestimmt, wie sich Flüssigkeiten bei einer Vielzahl von Vorgängen und Phänomenen verhalten:

Benetzung und Benetzbarkeit

Die Benetzung eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit hängt unter anderem von der Oberflächenspannung ab. Das spielt beim Waschen und Reinigen eine große Rolle, aber auch bei Benetzungsprozessen wie dem Drucken oder Beschichten.

Tröpfchengröße

Bei einem Spray oder bei einer Emulsion ist die Gesamtoberfläche der Tröpfchen je größer, umso kleiner die einzelnen Tröpfchen sind. Daher hängt die Größe erzeugter Tröpfchen von der Oberflächenspannung ab.

Dispersionen und Dispergierbarkeit

Beim Dispergieren entstehen Grenzflächen zwischen festen Teilchen und einer Flüssigkeit. Eine hohe Oberflächenspannung wirkt sich negativ auf die Dispergierbarkeit aus, da der Kontakt zwischen gleichartigen Teilchen bevorzugt wird (Klümpchenbildung).

Im Vergleich zu klassischen oberflächenaktiven Substanzen (modifizierte Polysiloxane, Alkohol-Ethoxylaten) können Silikontenside die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten drastisch zu verringern. Schon kleine Mengen von weniger als 0,1 Prozent Silikontensid, bezogen auf die Gesamtmenge der Flüssigkeit, erzielen einen deutlichen Effekt. Sie stellen somit einen sehr guten Ersatz für Fluortensiden dar, die aus Umweltschutzgründen zunehmend verboten und nur noch eingeschränkt verwendet werden dürfen. Zusätzlich haben die Silikontenside den Vorteil, dass sie die Schaumneigung von Substanzen praktisch nicht erhöhen.
 

Verschiedene Anwendungsgebieten profitieren von der starken Reduktion der Oberflächenspannung, so zum Beispiel in der Kosmetik, der Landwirtschaft, bei Druckfarben und Lacke sowie bei der Herstellung von Kunststoffschäumen. Grundlegende Eigenschaften wie Benetzung, Emulgierung, Schaumbildung und Phasenverhalten können damit gezielt gesteuert und kontrolliert werden.

Bestimmte Silikontenside erleichtern die Benetzung von wässrigen Lösungen auf äußerst hydrophoben Oberflächen. Diese ungewöhnliche Fähigkeit nennt sich „Superbenetzung“. 
 

Weitere Anwendung der Silikontenside

Kunststoffsubstrate wie Polypropylen, PET oder Oberflächen, die durch ölige Substanzen verschmutzt sind, lassen sich mit wässrigen Substanzen schwer benetzen. Dies ist zum Beispiel bei wässrigen Druckfarben und Inkjet-Farben zur Bedruckung von Folien der Fall, aber auch verunreinigte Untergründe bei der Lackapplikation. In diesen Fällen helfen Silikontenside, die zum einen eine sehr starke Reduzierung der statischen Oberflächenspannung des zu applizierenden Systems bewirken, zum anderen aber besonders durch ein verbessertes Spreitungsvermögen für eine sehr gute Benetzung sorgen.

Autor: Marc Eberhardt (BYK-Chemie GmbH)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth, GDCh

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Kommentare

  • Peter G. Dietrich
    am 19.03.2020
    Wie steht es mit der pH-Stabilität der Si-Tenside?
    • sue (Redaktion)
      am 02.04.2020
      Wir haben die Frage an den Autor weitergeleitet.
    • tobias
      vor 2 Wochen
      Hallo,
      wie gross sind die Moleküle von Tensiden etwa? 10 Exp -3 ? -4?
      Grüsse
      tobias
    • kjs (Redaktion)
      vor 5 Tagen
      Nach Auskunft des Autors liegt das mittlere Molgewicht (Mw) bei ca. 1000 g/mol.

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