In dispersen Flüssigkeiten, in denen eine elektrostatische Abstoßung zwischen Partikeln gleicher Ladung für die Stabilität gegen Flokkulation oder Koaleszenz verantwortlich ist, ist es wichtig, die Oberflächenladung der Partikel zu charakterisieren.

Der Zweck von Ladungstitrationen

Das Zetapotential wird oft eingesetzt, um die elektrostatische Stabilität anzuzeigen. Bei bekannten Substanzen ist das in Ordnung. Im Allgemeinen sagt die absolute Höhe des Zetapotentials jedoch nicht aus, wie viel einer hinzugefügten Substanz die Dispersion destabilisieren würde. Eine geringe Änderung des pH-Wertes könnte eine Pigment-Suspension instabil machen, obwohl das Zetapotential vorher hoch war. Daher ist es sinnvoll, sich eine Titrationskurve anzusehen, wo das Oberflächenpotential der Partikel als Ladungs-Monitor gegenüber der Menge, die die Ladung beeinflusst, geplottet wird. Abhängig von der Anwendung kann dies entweder der pH-Wert oder ein ionischer oberflächenaktiver Stoff oder Polyelektrolyt sein. Dadurch können die stabilen und instabilen Bereiche einer Dispersion klar erkannt werden, und die richtige Dosierung, um die Dispersion in den stabilsten oder instabilsten Zustand (Ladungs-Nullpunkt) zu bringen, kann gefunden werden.

Das Zetapotential und Strömungspotential als ladungscharakterisierende Parameter.

Zwei Verfahren der Charakterisierung der Oberflächenladung werden verbreitet eingesetzt, das Zetapotential (ZP) und das Strömungspotential (SP), wobei das Strömungspotential in der Papierindustrie bekannter ist als in anderen industriellen Bereichen.

Das Zetapotential wird optisch als die elektrophoretische Mobilität µe gemessen. Typische Anordnungen sind vom Typ Laser Doppler in Kombination mit einem externen Titrationssystem. Dieses Verfahren ist allgemein bekannt und hier nicht weiter beschrieben.

Das Ziel dieses Artikels ist, das weniger bekannte Verfahren des Strömungspotentials zu beschreiben. Es kann auf eine Vielzahl von wässrigen dispersen Flüssigkeiten und sogar auf polymere Lösungen bis zu einer Konduktivität von 10 mS/cm und bis zu einer Konzentration von 30 Vol% angewendet werden. Die integrierte Titration, zum Zweck der Ladungstitration programmiert, vereinfacht den Einsatz und den Transport. Das Strömungspotential könnte hauptsächlich durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor mit dem Zetapotential in Korrelation gebracht werden, jedoch wird dies in der Praxis nicht gemacht, hauptsächlich, weil die Titrationskurve schon das signifikante Ergebnis liefert.

Messung des Strömungspotentials

Durch Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens in einem zylindrischen Behälter wird die Flüssigkeit, die sich im Spalt zwischen dem Zylinder und dem Kolben befindet, auf- und abwärts bewegt. Die Ladungswolke dieser Partikel, die in den Poren der PTFE-Wände hängt, wird durch die Erzeugung eines Spannungs-SP an den Elektroden verdrängt. Die Ladungswolke der Partikel in der Suspension bleibt mehr oder weniger symmetrisch und trägt daher nicht signifikant zum Strömungspotential bei.

Das Signal-SP, dessen Polarität bei jeder Umkehr der Kolbenbewegung wechselt, wird so verarbeitet, dass für die Kationen ein konstantes positives und für Anionen ein negatives Signal geliefert wird. Abhängig von der Anwendung wird entweder eine Polyelektrolyt- oder eine pH-Titration durchgeführt. Zusammen mit dem Strömungspotential bestimmt die Titration den kationischen/anionischen Polyelektrolytbedarf ebenso wie den Säure-/Basenbedarf. Ob der Ladungsnullpunkt oder das Maximum der Titrationskurve wichtig ist, wird durch die Anwendung bestimmt. Bei Recyclingprozessen, wo die Trennung von Dispersionen durch Zugabe von Polyelektrolyten erzielt werden soll, möchte der Nutzer die Menge der Additive, die zur Erreichung eines Nullpotentials benötigt werden, wissen.

In dem Fall, dass die Stabilität einer Dispersion oder einer Emulsion durch Veränderung der elektrischen Oberflächenladung stabilisiert werden soll, wird die Ladungstitration eingesetzt, um die Dosierung zu bestimmen, die notwendig ist, um die Probe in einen „flat“ Bereich zu bringen, in dem es keine signifikante Änderung des Potentials gibt. Dies kann durch Einstellung des pH-Wertes auf einen entsprechenden Wert erreicht werden. Oder, im Falle dass Partikel mit einem Polyelektrolyt überzogen werden sollen, liefert die Polyelektrolyt-Titrationskurve die optimale Dosierung des Beschichtungsmaterials.

Geräteanordnung für die Ladungs-Titration

Mit Ausnahme der AFG bieten alle Hersteller ein Basisgerät plus einem separaten Titrationssystem an. Im unten gezeigten prinzipiellen Aufbau, ist der Titrator der Einfachheit halber in den Ladungspotentialanalysator integriert, wie in dem von AFG hergestellten System.

Nutzen für den Kunden

Die Systeme werden mit Polyelektrolyt Standards geliefert, die dazu dienen, die Ladung anderer ionischer Additive zu kalibrieren und das Gerät mit einer Poly-DADMAC Standard-Titration gegen Pes Na+ oder vice versa zu kalibrieren. Durch Titration der Probe mit einem solchen Standard und des Wissens um die Gewichtskonzentration kann die Ladung der Probe per Gramm evaluiert werden. In Kombination mit einem Partikelgrößenverteilungs-Analysegerät ist es möglich, die elektrische Ladung über den Oberflächenbereich zu berechnen.

Das Verfahren der Ladungstitration ist sehr einfach und daher für den täglichen Einsatz gut geeignet. Es hilft, die Dosis der flokkulations- oder emulsionsbrechenden Chemikalie bei Recyclingprozessen und auch die Formulierungsarbeit bei der Optimierung der Stabilität einer Dispersion zu verbessern. Zusätzlich liefert es sichere Parameter für die elektrostatische Stabilität.

Wenn die Dispersionsstabilität durch andere Mittel als die elektrostatische Abstoßung wie Emulgatorvernetzung oder sterische Abstoßung erzielt wird, muss die Formulierung mit Dispersionsstabilitäts-Analysegeräten getestet werden.