Oberflächenaktivität
Der Begriff Oberflächenaktivität beschreibt die Fähigkeit einer Oberfläche, mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung zu treten. In der Partikeltechnologie bezieht sich dies vor allem auf das Verhalten von Partikeln an ihren Grenzflächen. Mit abnehmender Partikelgröße steigt der Anteil der Atome an der Oberfläche stark an, sodass Oberflächeneffekte gegenüber Volumeneffekten zunehmend dominieren.
Bei trockenen Pulvern wird die Oberflächenaktivität überwiegend durch physikalische Kräfte bestimmt. Eine zentrale Rolle spielen intermolekulare und atomare Wechselwirkungen, insbesondere Van‑der‑Waals‑Kräfte. Diese wirken stets anziehend und gehen auf fluktuierende Dipole zurück. Ihre Bedeutung nimmt mit kleiner werdendem Partikelradius deutlich zu.
Die van-der-Waals-Kraft zwischen zwei kugelförmigen Partikeln lässt sich vereinfacht beschreiben durch:
FvdW ≈ (AH · R) / (6 · D²)
- AH ist die Hamaker-Konstante
- R ist der Partikelradius
- D ist der Abstand der Oberflächen
Mit sinkendem Radius steigt das Verhältnis von Haftkraft zu Gewichtskraft. Deshalb neigen feine Pulver zur Kohäsion. Sie fließen schlecht, bilden Agglomerate und haften an Apparateoberflächen. Neben Van-der-Waals-Kräften wirken elektrostatische Kräfte. Sie entstehen durch Ladungstrennung beim Mischen, bei Reibung oder bei der pneumatischen Förderung. Besonders bei trockenen, isolierenden Pulvern können hohe Oberflächenladungen auftreten. Diese Kräfte können anziehend oder abstoßend wirken. Sie beeinflussen Entmischung, Staubexplosionsrisiken und Anhaftung.
Chemische Oberflächenaktivität spielt in der Elektrochemie und bei reaktiven Feststoffen eine Rolle. Reaktive funktionelle Gruppen an der Partikeloberfläche können mit Gasen oder anderen Feststoffen reagieren. Beispiele sind Oxidation, Hydrolyse oder Adsorption von Feuchtigkeit und Gasmolekülen. Solche Effekte verändern die Oberflächenenergie und damit das Fließverhalten.
Optische Oberflächenaktivität ist bei Pulvern ebenfalls relevant. Sie beschreibt die Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung. Die Emissions- und Absorptionseigenschaften hängen von Oberflächenrauheit, Farbe und chemischer Zusammensetzung ab. Dies beeinflusst Wärmeaufnahme, Infrarotstrahlung und Aufheizverhalten in Trocknungs- oder Reaktionsprozessen.
Bei feuchten Pulvern erweitert sich das Spektrum der Oberflächenkräfte. Zusätzlich zu den trockenen Wechselwirkungen treten kapillare Kräfte auf. Flüssigkeitsbrücken bilden sich zwischen Partikeln. Diese Brücken erzeugen starke Anziehungskräfte und fördern Agglomeration.
Die kapillare Kraft lässt sich vereinfacht beschreiben als:
Fkap ≈ 2 · π · R · γL · cos(θ)
- R ist der Partikelradius
- γL ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit
- θ ist der Kontaktwinkel.
Feuchte Pulver zeigen deshalb oft stark kohäsives Verhalten. Die Oberflächenaktivität steigt sprunghaft an. Agglomeration, Ballenbildung und Wandanhaftung sind typische Folgen. In der Verfahrenstechnik wird dieser Effekt gezielt genutzt, etwa bei der Granulation.
Bei nassen Pulvern und Suspensionen wird das Verhalten durch Grenzflächen zwischen Feststoff und Flüssigkeit bestimmt. Hier spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine dominierende Rolle. Partikeloberflächen tragen häufig Ladungen. Um jedes Partikel bildet sich eine elektrische Doppelschicht.
Das Zusammenwirken von anziehenden Van-der-Waals-Kräften und abstoßenden elektrostatischen Kräften wird durch die DLVO-Theorie beschrieben. Das resultierende Wechselwirkungspotenzial entscheidet über Stabilität oder Agglomeration der Suspension.
Die elektrostatische Abstoßung hängt vom Zeta-Potenzial ab. Hohe Beträge des Zeta-Potenzials führen zu stabilen Suspensionen. Niedrige Beträge begünstigen Flockulation und Sedimentation.
Das Zeta-Potenzial ist messtechnisch schwer zugänglich. Deshalb werden in der Praxis zumeist Umkehrformeln mithilfe der Henry-Gleichung verwendet.
Ζ = η ⋅ Ue / (2 ⋅ ε ⋅ f(κa))
Dabei gilt:
- Ue ist die elektrophoretische Mobilität des Partikels.
- η ist die dynamische Viskosität der Flüssigkeit.
- ε ist die Dielektrizitätskonstante (Permittivität) des Mediums.
- f(κa) ist die Henry‑Funktion, die von Partikelgröße und Debye‑Länge abhängt.