DE20013089U1

DE20013089U1 - Meßsonde und Meßgerät zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen

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Publication number: DE20013089U1
Application number: DE20013089U
Authority: DE
Original assignee: IFAC GmbH and Co KG Institut fur Angewandte Colloidtechnologie
Current assignee: IFAC GmbH and Co KG Institut fur Angewandte Colloidtechnologie
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2010-07-29

Description

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IFAC GmbH & Co. KG 28. Mi 2000

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Meßsonde und Meßgerät zur Bestimmung der physikalischen
Stabilität von Emulsionen und Dispersionen

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde und ein Meßgerät zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen.

Emulsionen und Dispersionen gehören zu den wichtigsten Industriegütern, die in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. Die Hersteller müssen für eine gewisse Stabilität ihrer Produkte garantieren, weshalb sie an einer zuverlässigen und schnellen Methode zur Vorhersage der Stabilität von Emulsionen und Dispersionen interessiert sind.

Bis zum heutigen Tage ist die meistverbreitete Methode zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen die optische Beurteilung der Proben durch einen Fachmann während der Einlagerung in Klimaschränken. Nachteilig bei dieser Methode sind der lange Zeitraum zwischen der Herstellung der Proben und der Detektion einer ersten sichtbaren Abscheidung, die Abhängigkeit der Beurteilung vom jeweils untersuchenden Fachmann und die fehlende Quantifizierbarkeit des Ergebnisses. Zudem können geringfügige Entmischungen oder Phasentrennungen in Emulsionen und Dispersionen optisch nicht erfaßt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Meßsonde und eines Meßgerätes zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, das die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere, von einer Meßperson unabhängig, quantifizierbare Ergebnisse liefert.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Meßsonde zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, aufgebaut aus einem Stab aus einem zumindest an der Staboberfläche nicht elektrisch leitenden Werkstoff, der mindestens zwei

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entlang des Stabes voneinander beabstandete Leitfähigkeitsmeßelektroden trägt, deren getrennte Stromzuführung durch das Innere des Stabes an ein Stabende erfolgt.

Das Meßprinzip der erfindungsgemäßen Meßsonde und des erfindungsgemäßen Meßgerätes basiert auf Leitfähigkeitsmessungen in der Emulsion bzw. Dispersion. Sie gestartet eine Vorhersage über die Stabilität von Emulsionen und Dispersionen in einem kurzen Zeitraum von vorzugsweise 4 bis 200, besonders bevorzugt 10 bis 100, insbesondere 24 bis 72 Stunden nach der Probenherstellung.

Die Meßsonde und das Meßgerät sind insbesondere geeignet zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, in denen die emulgierte oder dispergierte Phase und das Emulgier- oder Dispergiermittel unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Dies ist insbesondere bei Emulsionen und Dispersionen der Fall, deren kontinuierliche Phase Wasser ist. In derartigen wäßrigen Emulsionen und Dispersionen ist in der Regel eine organische Verbindung oder ein eine organische Verbindungen enthaltendes Gemisch emulgiert oder dispergiert. Insbesondere handelt es sich bei Emulsionen um Öl/Wasser-Emulsionen. Die Art der zu untersuchenden Emulsionen und Dispersionen ist jedoch nicht beschränkt.

Die Leitfähigkeit von Emulsionen und Dispersionen, deren kontinuierliche Phase Wasser ist, hängt u.a. von der Konzentration der dispersen Phase ab. Mit zunehmender Konzentration der dispergierten Phase nimmt die Leitfähigkeit ab. Die Beziehung kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

k = A * exp (B * fi)

k = Leitfähigkeit

fj = Konzentration der dispergierten Phase
A; B = Konstanten

Wenn eine Emulsion oder Dispersion nicht physikalisch stabil ist, kommt es zu einer Phasenseparation, bei der letztendlich das Dispergiermittel und die vorher dispergierte Phase zwei Phasen ausbilden. Während des Prozesses der Phasenseparation verändert sich

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die Konzentration der dispersen Phase am Boden eines Lagerungs- oder Probengefäßes und an der Oberfläche. Daher ändert sich auch die Leitfähigkeit in diesen Bereichen.

Erfindungsgemäß werden nun eine Meßsonde und ein Meßgerät bereitgestellt, die mittels spezieller Elektroden die Leitfähigkeit eines kolloidalen Systems in der Nähe der Oberfläche und in der Nähe des Bodens eines Probengefäßes bestimmen.

Hierzu weist die Meßsonde mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei entlang des Stabes voneinander beabstandete Leitfähigkeitsmeßelektroden auf. Diese

Leitfähigkeitsmeßelektroden sind vorzugsweise durch jeweils zwei voneinander beabstandete, den Stab umlaufende und an seiner Oberfläche anliegende Metallringe gebildet, wobei die Abstände zwischen zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden entlang des Stabes mindestens viermal, vorzugsweise mindestens sechsmal so groß sind wie zwischen den beiden Metallringen einer Leitfahigkeitsmeßelektrode.

Der Abstand zwischen den Leitfähigkeitsmeßelektroden stellt sicher, daß jeweils die Leitfähigkeit im Bereich der Meßelektroden bestimmt wird.

Der Stab ist vorzugsweise aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff als Werkstoff gearbeitet. Dabei können beliebige geeignete Kunststoffe eingesetzt werden. Sie sollten vorzugsweise gegenüber den zu untersuchenden Emulsionen bzw. Dispersionen chemisch inert sein. Neben den bekannten thermoplastischen Kunststoffen werden vorzugsweise fluorierte Polyolefine eingesetzt. Besonders bevorzugt ist der Stab aus Polytetrafluorethylen (PTFE) aufgebaut. Er kann zur Versteifung einen Metallkern aufweisen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von PTFE vorteilhaft, da dieses Material eine gewisse Weichheit aufweist.

Der Abstand zwischen zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden entlang des Stabes kann je nach zu untersuchender Probenmenge und Geometrie des Probengefaßes in einem weiten Bereich gewählt werden. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden entlang des Stabes 1 bis 20, besonders bevorzugt 2 bis 10 cm.

Vorzugsweise sind die Metallringe der Leitfähigkeitsmeßelektroden so in den Stab integriert, daß sie nicht hervorstehen. Damit weist der Stab vorzugsweise eine durchgehend glatte Oberfläche auf, was den Proben wechsel und die Reinigung vereinfacht.

Gegebenenfalls können an den Enden des Stabes Mittel zur Positionierung des Stabes in

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einem Probengefäß vorgesehen sein. Beispielsweise können das obere und/oder das untere Ende des Meßstabes verdickt sein, so daß beim Einführen in ein Probengefäß eine definierte Position erreicht wird.

Die Meßsonde kann jede geeignete Geometrie aufweisen. Vorzugsweise ist sie im wesentlichen zylindrisch aufgebaut, wobei die Höhe des Zylinders ein Vielfaches des Durchmessers beträgt.

Das Probengefäß, das die Meßsonde umgibt und die zu untersuchende Emulsion oder Dispersion aufnimmt, weist vorzugsweise ein Innenvolumen von 1 bis 150 ml, besonders bevorzugt 3 bis 80 ml auf. Das Probengefäß kann aus jedem geeigneten Material aufgebaut sein. Vorzugsweise ist es aus einem durchsichtigen Material aufgebaut, so daß der Inhalt des Probengefäßes von außen sichtbar ist. Das Probengefäß ist vorzugsweise aus einem gegenüber der zu untersuchenden Emulsion oder Dispersion inerten Material gefertigt.

Besonders bevorzugt ist das Probengefäß aus Glas gefertigt.

Die Meßsonde wird durch geeignete Mittel im Probengefäß gehalten, wobei gleichzeitig ein einfaches Be- und Entleeren des Probengefäßes möglich sein soll. Beispielsweise kann die Meßsonde über ein Schraubgewinde am oberen Ende des vorzugsweise zylindrischen Probengefaßes befestigt sein. Dies erlaubt auch eine geeignete Abdichtung des Probengefaßes, so daß ein unbeabsichtigtes Verschütten der Emulsion oder Dispersion vermieden wird. Die Stromzuführung der Leitfähigkeitsmeßelektroden kann dann durch diesen Schraubdeckel erfolgen, wobei zur elektrischen Verbindung geeignete Steckverbindungen oder Schraubverbindungen vorgesehen werden können.

Das Probengefäß oder die Meßsonde können dabei geeignete Vorrichtungen zur Positionierung der Meßsonde aufweisen.

Die erfindungsgemäße Meßsonde und das erfindungsgemäße Meßprinzip sind in der Zeichnung in Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt oben eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Meßsonde mit Probengefäß. Die stabförmige Meßsonde weist zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden auf, die sich an den mit Ki und K2 bezeichneten Stellen befinden. In das Probengefäß ist eine Öl/Wasser (O/W)-Emulsion gefüllt. Mit Hilfe der Leitfähigkeitsmeßelektroden werden

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Leitfähigkeiten Ki und K2 im Bereich der Oberfläche und im Bereich des Bodens des Probengefaßes bestimmt, woraus sich eine Leitfahigkeitsdifferenz &Dgr;&Kgr; ergeben kann.

Im unteren Bereich von Fig. 1 sind wiederum vier erfindungsgemäße Meßsonden und Probengefaße in Querschnittsansicht dargestellt. Hier wird das Meßprinzip anhand einer Phasenseparation erläutert.

1: In diesem Stadium ist das System homogen und es gibt keinen detektierbaren Unterschied bezüglich der Konzentration der dispersen Phase zwischen der Oberfläche der Emulsion und dem Zellboden. Daher gibt es auch keinen Unterschied in der Leitfähigkeit (&Dgr;&Kgr;) an diesen beiden Meßpunkten, und das System kann als stabil angesehen werden.

2: In diesem Stadium tritt ein nicht sichtbarer "creaming-Effekt" auf, dessen Ursache eine Konzentrationsänderung der dispersen Phase an der Oberfläche und am Zellboden ist und der somit eine Differenz in der Leitfähigkeit zur Folge hat.

Aufgrund der empfindlichen Elektroden kann diese Leitfahigkeitsdifferenz detektiert werden, lange bevor eine Phasenseparation mit dem bloßen Auge

beobachtet werden kann.
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3: Mit fortschreitendem creaming nimmt die Differenz der Leitfähigkeiten stark zu.

Erst zu diesem Zeitpunkt kann ein geübter Beobachter eine Phasentrennung mit dem bloßen Auge erkennen.

4: Im Endstadium wird die Leitfahigkeitsdifferenz maximal, und eine vollständige Phasentrennung der Emulsion in beispielsweise Ölphase und wäßrige Phase wird sichtbar.

Der entscheidende Vorteil der erfindungs gemäßen Meßsonde und des erfindungsgemäßen Meßgerätes liegt darin, daß man nicht auf eine sichtbare Phasentrennung warten muß, um eine physikalische Instabilität von Emulsionen und Dispersionen zu bestimmen. Die Zunahme der Leitfahigkeitsdifferenz innerhalb der Probe im Zustand (2) ist ein zuverlässiger Parameter zur Vorhersage der physikalischen Stabilität eines kolloidalen Systems.
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• · · 4

• · · Φ

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Die Erfindung betrifft auch ein Meßgerät zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, aufgebaut aus mindestens einer Meßsonde und einem Probengefäß, wie sie vorstehend definiert sind, wobei die Meßsonde im Probengefäß im wesentlichen vertikal angeordnet ist, einer Wechselspannungsversorgung für die Leitfähigkeitsmeßelektroden, die die Leitfähigkeitsmeßelektroden entsprechend einer Wheatstoneschen Brücke mit Wechselspannung versorgt und die Leitfähigkeit für die einzelnen Leitfähigkeitsmeßelektroden mißt, und einer Anzeigevorrichtung für die Leitfähigkeit der einzelnen Leitfähigkeitsmeßelektroden.

Geeignete Wheatstonesche Wechselstrombrücken für die Messung der Leitfähigkeit von Elektrolyten sind bekannt. Die prinzipielle zugrundeliegende Schaltung und das Meßsystem sind beispielsweise in Walter J. Moore, Physikalische Chemie, 4. Auflage, 1986, Seiten 510 bis 512 (Walter de Gruyter & Co) beschrieben. Auf den speziellen Aufbau der Schaltung muß hier deshalb nicht weiter eingegangen werden.

Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Meßgerät ferner einen Computer (Rechner) zur Ansteuerung der Leitfähigkeitsmeßelektroden, zur Anzeige und gegebenenfalls Auswertung der gemessenen Leitfähigkeiten und gegebenenfalls zur Speicherung der erhaltenen Daten bzw. Meßwerte auf.

Geeignete Computer (Rechner) sind bekannt und werden in großem Umfang zur Ansteuerung elektrischer und elektronischer Geräte eingesetzt. Sie bestehen vorzugsweise aus einem Zentralrechner, einer Eingabetastatur, einem Bildschirm, einem elektronischen Speichermedium, wie Hard-Disk, Diskette, CD-ROM und gegebenenfalls einem Drucker oder Plotter.

Vorzugsweise ist das Meßgerät so ausgelegt, daß mehrere Meßsonden parallel betrieben werden können, so daß mehrere, vorzugsweise 2 bis 20, insbesondere 2 bis 10 Messungen parallel durchgeführt werden können. Vorzugsweise weist das Meßgerät ferner eine Vorrichtung zur Temperierung der Meßsonde(n) auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kryostaten geeigneter Dimensionierung handeln, mit dem ein Kühlen oder eine Erwärmung der Proben möglich sind, sowie Temperaturprogramme gefahren werden können. Die Temperierung kann dabei ebenfalls über den Rechner gesteuert werden.

Typische Meßergebnisse für eine physikalisch instabile Emulsion sind in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist jeweils die Leitfähigkeit [in willkürlichen Einheiten] gegen die Zeit [in Minuten]

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aufgetragen. Es wurde mit einer Meßsonde mit zwei Leirfahigkeitsmeßelektroden im Bereich der Oberfläche und des Bodens eines Probengefäßes gearbeitet.

Die erste Grafik (1) zeigt den Leitfähigkeitsverlauf an der oberen Leitfähigkeitsmeßelektrode. Die zweite Grafik (2) zeigt den Leitfähigkeitsverlauf an der unteren Meßsonde. In der dritten Grafik (3) sind beide Kurven gemeinsam aufgetragen. In der vierten Grafik (4) ist eine Differenz zwischen Grafik (2) und Grafik (1) dargestellt. Insbesondere aus der in Grafik (4) dargestellten Differenz wird deutlich, daß nach etwa 1200 Minuten eine Phasenseparation einsetzt.
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Die wie dargestellt erhaltenen und verarbeiteten Meßdaten können in einen Analysenbericht aufgenommen und ausgedruckt oder in geeigneter Weise elektronisch gespeichert werden.

Das erfindungsgemäße Meßgerät ist universell einsetzbar und liefert insbesondere für O/W-Emulsionen, Gels und wäßrige Dispersionen in wenigen Stunden zuverlässige Stabilitätvorhersagen.

Vorzugsweise weist die zu untersuchende Emulsion oder Dispersion eine elektrische Mindestleitfähigkeit von 100 &mgr;8/&agr;&eegr; auf.

Vorzugsweise liegt der Meßbereich der temperaturabhängigen Leitfähigkeitsmessungen bei der Temperatur zwischen -20 und 8O⁰C und bei der Leitfähigkeit zwischen 100 &mgr;8/&agr;&eegr; und 2000 &mgr;8/&agr;&eegr; (entsprechend einer Spannung von 0,1 bis 8,5 V). Spezielle geeignete Probengrößen liegen im Bereich von 5 bis 10 ml. Vorzugsweise wird das Meßgerät mit üblicher Netzspannung von 220/240 VAC 50/60 Hz betrieben.

Das erfindungsgemäße Meßgerät weist u. a. die folgenden Vorteile gegenüber der bekannten visuellen Beurteilung von Emulsionen und Dispersionen auf:
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die Stabilitätsdaten können mindestens 30 mal schneller ermittelt werden

mehrere unterschiedliche Proben können gleichzeitig vermessen werden
- Stabilitätsdaten werden kontinuierlich aufgezeichnet

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• · · 4

• ·

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die Bestimmung der kritischen Temperatur für Emulsionen und Dispersionen, bei deren Überschreitung Instabilitäten auftreten, ist einfach und reproduzierbar möglich.

Claims

1. Meßsonde zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, aufgebaut aus einem Stab aus einem zumindest an der Staboberfläche nicht elektrisch leitenden Werkstoff, der mindestens zwei entlang des Stabes voneinander beabstandete Leitfähigkeitsmeßelektroden trägt, deren getrennte Stromzuführung durch das Innere des Stabes an ein Stabende erfolgt.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeitsmeßelektroden durch jeweils zwei voneinander beabstandete, den Stab umlaufende und an seiner Oberfläche anliegende Metallringe gebildet werden, wobei die Abstände zwischen zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden entlang des Stabes mindestens viermal so groß, vorzugsweise mindestens sechsmal so groß sind wie die Abstände zwischen den beiden Metallringen einer Leitfähigkeitsmeßelektrode.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff, vorzugsweise PTFE als Werkstoff aufgebaut ist, und zur Versteifung einen Metallkern aufweisen kann.

4. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei Leitfähigkeitsmeßelektroden entlang des Stabes 1 bis 20, vorzugsweise 2 bis 10 cm beträgt.

5. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die von einem Probengefäß zur Aufnahme der zu untersuchenden Emulsion oder Dispersion mit einem Innenvolumen von vorzugsweise 5 bis 150 ml, besonders bevorzugt 20 bis 80 ml, umgeben ist.

6. Meßgerät zur Bestimmung der physikalischen Stabilität von Emulsionen und Dispersionen, aufgebaut aus mindestens einer Meßsonde und einem Probengefäß, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert sind, wobei die Meßsonde im Probengefäß vertikal angeordnet ist, einer Wechselspannungsversorgung für die Leitfähigkeitsmeßelektroden, die die Leitfähigkeitsmeßelektroden gemäß einer Wheatstoneschen Brücke mit Wechselspannung versorgt und die Leitfähigkeit für die einzelnen Leitfähigkeitsmeßelektroden mißt, und einer Anzeigevorrichtung für die Leitfähigkeit der einzelnen Leitfähigkeitsmeßelektroden.

7. Meßgerät nach Anspruch 6, das ferner einen Computer zur Ansteuerung der Leitfähigkeitsmeßelektroden, zur Anzeige und gegebenenfalls Auswertung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeitsmeßelektroden und gegebenenfalls zur Speicherung der erhaltenen Daten, aufweist.

8. Meßgerät nach Anspruch 6 oder 7, das ferner eine Vorrichtung zur Temperierung der Meßsonde(n) aufweist.

9. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Meßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsion eine Öl/Wasser- Emulsion ist.