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Grundlagen von Silikonemulsionen
Silikone sind halborganische Polymere, die aus abwechselnden Silicium- und Sauerstoffatomen bestehen, an die Methylgruppen gebunden sind. Die Grundstruktur des Polymers ist Polydimethylsiloxan.
Durch den Austausch der Methylgruppen gegen andere organische Gruppen oder durch Vernetzung der Polymerketten lassen sich diesen Polymeren einzigartige Eigenschaften verleihen. Silikonpolymere bzw. Silikonöle weisen viele wünschenswerte Eigenschaften auf:
Aufgrund dieser wichtigen physikalischen Eigenschaften werden Silikonöle in einer Reihe von Emulsionen wie beispielsweise Silikon-Antischaummitteln verwendet. Formtrennmittel, Kosmetikprodukte und TextilemulsionenDie Fachbroschüren der Hersteller listen zahlreiche Anwendungsgebiete dieser Emulsionen auf, in manchen Fällen bis zu fünfzig verschiedene. Dazu gehören unter anderem die Lebensmittelindustrie (Fermentation, Getränkeherstellung, Fleisch- und Geflügelverarbeitung, Sirupe), die Chemieindustrie (Destillation, Harzherstellung, Waschmittel, Schneidöle, Düngemittel, Trennmittel), die Petrochemie, die Abwasserbehandlung, die Papier- und Druckindustrie, die Klebstoff- und Beschichtungsindustrie sowie die Textilindustrie.
Antischaummittel Diese Emulsionen werden zur Kontrolle oder Beseitigung von Schaumbildung in vielen Produkten und Prozessen eingesetzt. Silikonöle werden in Antischaummitteln verwendet, da sie in vielen Systemen unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen wirksam sind. Die Kriterien für ein wirksames Öl in einem Antischaummittel sind eine geringe Löslichkeit im System und ein positiver Spreitungskoeffizient. Die Abfolge der Ereignisse, die zur Schaumreduzierung führen, umfasst: „Dispersion des Antischaummittels in der schäumenden Lösung, Transport des Antischaummitteltröpfchens aus der Hauptphase zur Blasenoberfläche, Eintritt des Tröpfchens in die Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche, Ausbreitung und Blasenplatzen.“ Viele Antischaummittel enthalten hydrophobe Füllstoffpartikel wie pyrogene Kieselsäure. Es wird angenommen, dass diese Kieselsäurepartikel im Silikonöltröpfchen durch das Öl zur Blasenoberfläche transportiert werden. Dort wird die Kieselsäure von Tensidmolekülen umhüllt und in die wässrige Phase gezogen. Dieser Prozess verbraucht die Oberflächensubstanzen an der Blasenwand, was zum Kollaps der Blase führt.
Antischaummittel sind bereits in niedrigen Konzentrationen sehr wirksam und werden in Mengen von 10 bis 200 ppm eingesetzt.
Textilemulsionen Silikonöl-in-Wasser-Emulsionen werden in der Textilindustrie eingesetzt. Diese Emulsionen verleihen Textilprodukten viele wünschenswerte Eigenschaften. Dazu gehören unter anderem: dauerhafte Wasserabweisung, Fleckenbeständigkeit, gute Vernähbarkeit, erhöhte Reißfestigkeit, verbesserte Knittererholung und geringere Schrumpfung.
Formtrennmittel - Diese Art von Silikonemulsion Sie werden in eine Form gesprüht, um das geformte Objekt aus der Form zu lösen. Diese Trennmittel werden für die Reifenformung, die Gummi- und Kunststoffverarbeitung sowie für die Herstellung von Medizinprodukten verwendet.
Ziel ist die Herstellung einer Silikonöl-in-Wasser-Emulsion mit für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten physikalischen Eigenschaften. Beispielsweise enthält eine Textilemulsion üblicherweise 25 % bis 75 % Öl und sollte sechs Monate lang lagerstabil, frostbeständig und taufest sein, eine ausreichende Silikonaufnahme durch Textilien gewährleisten, mit verschiedenen Ausrüstungsmitteln kompatibel sein und keine dermatologischen Nebenwirkungen aufweisen. Der durchschnittliche Tröpfchendurchmesser dieser Emulsionen liegt üblicherweise unter einem Mikrometer. Eine Antischaumemulsion hingegen benötigt unter Umständen keinen so kleinen durchschnittlichen Tröpfchendurchmesser wie die Textilemulsion und ist in der Regel nicht frostbeständig.
Im Allgemeinen sollten diese Emulsionen eine gute Haltbarkeit aufweisen, keine oder nur geringe Phasentrennung zeigen und mit dem vorgesehenen Prozess oder Produkt kompatibel sein. Die Emulsionen können mit anionischen, nichtionischen oder kationischen Emulgatoren formuliert werden; nichtionische Emulgatoren sind jedoch am gebräuchlichsten. In manchen Fällen wird der pH-Wert auf 5–7 eingestellt, um eine Gasbildung zu minimieren.
Wasserstoff. Die Viskosität kann zwischen 100 cSt und 100,000 cSt (25 °C) variieren.
Silikonemulsionen lassen sich mithilfe eines Homogenisators oder einer Kolloidmühle herstellen. Die Wahl des Geräts hängt von der Viskosität des Silikonöls, der Ölmenge in der Formulierung und der gewünschten Tröpfchengröße der fertigen Emulsion ab.
Durch das Verständnis der Produkteigenschaften, die die Effizienz der einzelnen Geräte beeinflussen, lässt sich im Vorfeld bestimmen, welche Maschine für den jeweiligen Zweck geeignet ist. Beispielsweise arbeitet der Homogenisator am effizientesten bei niedriger Produktviskosität, insbesondere in der dispersen Phase⁸. Übersteigt die Viskosität des Silikonöls 1000 cP (Newtonsch), erzeugt der Homogenisator keine zufriedenstellende Emulsion. Selbst bei hohen Drücken von 5000 bis 8000 psi ist der Homogenisator nur sehr ineffizient bei der Reduzierung der Tröpfchengröße. Idealerweise sollte die Viskosität für eine optimale Nutzung des Homogenisators unter 500 cP liegen. Das Erhitzen einer Silikonemulsion ist möglicherweise nicht zielführend, da viele Silikonöle keine signifikante Viskositätsabnahme mit steigender Temperatur aufweisen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Viskositätsänderung eines bestimmten Silikonöls. In diesem Fall würde Erhitzen die Ölviskosität senken und die Homogenisierung effizienter gestalten. Für die Herstellung von Emulsionen mit hochviskosen Ölen sollte eine Kolloidmühle verwendet werden.
Bei einem Ölanteil von über 50 % ist die Kolloidmühle dem Homogenisator vorzuziehen, da der Homogenisator bei diesen Ölanteilen die Emulsion überarbeiten und zerstören kann.
Bei niedriger Ölviskosität und einem Ölanteil unter 50 % erzeugt der Homogenisator aufgrund seines hohen Energieeintrags die kleinste Tröpfchengröße. In bestimmten Fällen kann jedoch eine Emulsion mit sehr kleiner mittlerer Tröpfchengröße hergestellt werden.
Die Emulsion kann mithilfe einer Kolloidmühle durch Invertierung hergestellt werden. Dabei wird eine Wasser-in-Öl-Emulsion präpariert, die sich nahe am Inversionspunkt befindet, was sich üblicherweise durch eine sehr hohe Viskosität bemerkbar macht. Wird diese Emulsion mit einem Spalt von etwa 0.005 Zoll durch die Kolloidmühle geleitet, invertiert sie und es entsteht eine Öl-in-Wasser-Emulsion mit einem sehr kleinen mittleren Durchmesser, in vielen Fällen unter einem Mikrometer.
Soll pyrogene Kieselsäure in Silikonöl dispergiert werden, kann hierfür ein Homogenisator verwendet werden. Öl und Kieselsäure werden dann durch Vormischen in der Wasserphase emulgiert und anschließend durch das entsprechende Gerät geleitet.
Silikonemulsionen können mittels Haltbarkeitstests, mikroskopischer Untersuchung, Gefrier-Tau-Stabilitätsprüfungen oder Trennungs- und Aufrahmungsprüfungen bewertet werden. Liegt die Tröpfchengröße unter etwa drei Mikrometern, kann die Emulsion mittels dynamischer Lichtstreuung untersucht werden.
Beispielsweise mit dem NICOMP Partikelgrößenanalysator oder durch optische Trübungsmessung, etwa mit dem Gaulin EQA-Instrument. Es gibt auch ein Verfahren zur Messung der Wirksamkeit einer Antischaumemulsion. Dabei wird Stickstoffgas durch eine Probe aus Tensid und Wasser geleitet und die Zunahme des Schaumvolumens über die Zeit gemessen. Die Messungen erfolgen zunächst ohne Antischaummittel und anschließend mit unterschiedlichen Mengen an Antischaummittel. Die aus diesen Daten erstellten Kurven zeigen die Wirksamkeit der Silikonemulsion bei der Reduzierung oder Verhinderung von Schaumbildung an.
Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Viskositätsänderung eines bestimmten Silikonöls.
