Mikroemulsion


Mikroemulsion

Abb. 1: Opaleszierende Mikroemulsion mit wässriger und organischer Exzessphase in einem Reagenzglas

Eine Mikroemulsion ist eine Emulsion, deren disperse Phase (z. B. Öl oder Wasser) derart kleine Domänen ("Tröpfchen") bildet, dass sichtbares Licht an ihnen nicht gestreut wird. Das bewirkt, dass Mikroemulsionen transparent wie Wasser sind, während normale Emulsionen undurchsichtig wie Milch sind. Wenn das Öl in der Mikroemulsion die disperse Phase bildet, bildet Wasser die kontinuierliche, es geht aber auch umgekehrt. Als Bezeichnung wäre Nanoemulsion angemessener, da die Domänendurchmesser im unteren Nanometer-Bereich liegen (< 350 nm).

Der Begriff ist nicht exakt definiert und dient mehr der Verständigung über die meist überraschende Drei- oder Einphasenbildung in Emulsionen. Er geht auf Schulman zurück.

Mikroemulsionen können alleine, oder zusammen mit zwei weiteren Phasen vorkommen. Diese zwei zusätzlichen Phasen sind sog. Exzessphasen und bestehen entweder aus wässriger oder aus organischer Komponente. Haben sich die drei Phasen vollständig getrennt, liegen drei völlig klare, scheinbar homogene, durch 2 Phasengrenzen getrennte Flüssigkeiten vor. Durch die hohe Konzentration disperser Phase kommt es in der Mikroemulsion zu einer bläulichen Verfärbung, wenn man senkrecht zum einfallenden Licht auf die Flüssigkeit schaut. Dies wird als Opaleszenz bezeichnet (vgl. Abb. 1).

Eine Mikroemulsion enthält neben den zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten ein Tensid. Dieses belegt zuerst alle freien Oberflächen und bildet dann weitere Oberfläche in der Flüssigkeit, wenn die vorhandene Oberfläche nicht ausreicht (sog. Micellbildung). Die Micellen nehmen falls vorhanden die zweite, nicht mischbare Flüssigkeit auf. Ist die Aufnahmefähigkeit der Micellen erschöpft, bildet der Rest der zweiten Flüssigkeit Exzessphase.

Für die Mikroemulsionsbildung wird zwar ein zweites Tensid (Cotensid) nicht unbedingt benötigt, aber dennoch häufig eingesetzt. Grund dafür ist, dass das Tensid alleine, zusammen mit dem verwendeten Öl, bei bestehendem Öl-/Wasseranteil und der anliegenden Temperatur keine Mikroemulsion bildet. Dieses wird erst durch Zusatz eines anderen Tensids, des Cotensids, erreicht. Lange Zeit war die Mikroemulsionsbildung geheimnisumwittert, bis sie systematisch untersucht wurde. Es ergibt sich, dass die (drei- oder einphasige) Mikroemulsionsbildung stark temperatur- und zusammensetzungs-, aber nur sehr schwach druckabhängig ist. Bei Kenntnis der verwendeten Stoffe (hydrophile und lipophile Kettenlänge des Tensids, Salzkonzentration (hydrotrope und lyotrope Salze), Kohlenstoffkettenlänge des Öls bzw. der organischen Komponente) lässt sie sich für eine gegebene Temperatur exakt herbeiführen. Der Cotensid-Zusatz bewirkt ein Tensidgemisch, das zusammen mit den anderen Stoffen der Emulsion bei der anliegenden Temperatur ein Drei- oder Einphasengebiet bildet.

Mikroemulsionen sind im Gegensatz zu Emulsionen dauerhaft stabil und bilden sich spontan. Die nanodisperse Struktur bildet sich daher mit minimalem Rühraufwand, im Gegensatz zu einer normalen Emulsion, deren viel größere Domänen häufig erst durch aufwändiges Emulgieren entstehen. Trotzdem sind Mikroemulsionen, solange sich Zusammensetzung und Temperatur nicht ändern, stabil und kennen keine Alterungserscheinungen. Normale Emulsionen sind dagegen vor allem temperatur-, aber auch stoßempfindlich. Ihre Erwärmung mit anschließender Abkühlung auf die Ausgangstemperatur führt in der Regel zu einer irreversiblen Veränderung der dispersen Struktur, was das Brechen der Emulsion zufolge haben kann.

Verwendung

Bereits in den 1920er-Jahren wurden Mikroemulsionen bei der Autopflege zum Aufbringen einer Wachsschicht genutzt. In der Pharmazie werden Mikroemulsionen zum Formulieren von Wirkstoffen verwendet, also zur Herstellung von dosisgenauen wässrigen Lösungen aus wasserunlöslichen Wirkstoffen. Eine weitere Anwendung ist die ternäre Erdölförderung, bei der eine wässrige Tensidlösung in das Erdöllager bzw. in die erdölführende Schicht gepresst wird. Die Tensidlösung bildet mit immobilem Erdöl eine (mobile) Mikroemulsion und erlaubt so, die Lagerstätte weiter auszubeuten.

Literatur

  • Kahlweit, Strey: Phasenverhalten ternärer Systeme des Typs Wasser-Öl-Nichtionisches Amphiphil (Mikroemulsionen), Angewandte Chemie 97(1985) 655-669
  • Dörfler, Grenzflächen u. kolloid-disperse Systeme, Berlin 2002