Universität zu Köln

Frangenberg, Matthias (2026). Stability of Concentrated Dispersions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Verhalten konzentrierter Polymerdispersionen wird durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den Partikeln bestimmt, die sowohl die experimentelle Charakterisierung als auch die theoretische Interpretation erschweren. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zum Verständnis der Stabilitätsmechanismen solcher Systeme, einem Forschungsfeld mit hoher Relevanz für Anwendungen in der Pharmaindustrie, bei Beschichtungen, in der Lebensmitteltechnologie und in der Entwicklung neuer fortschrittlicher Materialien wie Nanokompositen, Funktionsbeschichtungen und Hybridwerkstoffen. Herkömmliche optische Methoden stoßen bei der Untersuchung von Partikelgrößen, Zetapotenzialen und daraus abgeleiteten Stabilitätseigenschaften konzentrierter, opaker Dispersionen häufig an ihre Grenzen, da sie nicht in der Lage sind, da starke Lichtstreuung und -absorption in solchen Systemen die Anwendung optischer Verfahren erheblich einschränken. Um diese Herausforderungen zu überwinden, kombiniert die vorliegende Arbeit akustische Dämpfungs­spektroskopie (AAS) und elektroakustische Verfahren auf Basis des kolloidalen Vibrationsstroms (CVI), um wässrige Polymerlatices unterschiedlicher Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung (PVC, SBR, PTFE, PU, PBAMM) direkt in ihrem ursprünglichen Zustand zu analysieren. Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Dissertation gehört die Optimierung der Bestimmung des Zetapotenzials durch die systematische Einbeziehung von Oberflächenleitfähigkeitseffekten in elektrokinetische Standardmodelle, wodurch teils erhebliche Messfehler in hochkonzentrierten Systemen vermieden werden. Darüber hinaus verbessern fortschrittliche theoretische Modelle, die explizit zwischen Oberflächenleitfähigkeit aus der stagnierenden und der diffusen Schicht unterscheiden, die Präzision von Zetapotenzialmessungen erheblich und validieren akustische Methoden gegenüber etablierten optischen Techniken. Ein weiterer Schwerpunkt der Dissertation liegt auf der Entwicklung eines Ansatzes zur Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen in Polymerdispersionen mit Hilfe der AAS, wobei die intrinsische Absorption der Partikel als entscheidender Faktor berücksichtigt wird. Durch die Einbeziehung dieses Faktors wird die Genauigkeit der Bestimmung mittlerer Partikelgrößen erheblich verbessert, auch wenn weiterhin Herausforderungen bei der Bestimmung der Verteilungsbreite bestehen. Zur Bewertung der kolloidalen Stabilität erweist sich die akustische Dämpfung als ein leistungsfähiges Instrument zur Bestimmung der kritischen Koagulationskonzentration (CCC), insbesondere bei opaken und stark konzentrierten Dispersionen. Untersuchungen zur Tensidadsorption zeigen klare Zusammenhänge zwischen zunehmender Oberflächenbedeckung und verbesserter Dispersionsstabilität auf, was wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung von Formulierungen liefert. Insgesamt verbindet diese Dissertation modellbasierte Ansätze mit akustischen und elektroakustischen Charakterisierungsmethoden. Sie liefert methodische und konzeptionelle Fortschritte bei der Charakterisierung und Stabilisierung konzentrierter Polymerdispersionen und anderer kolloidaler Modellsysteme und eröffnet neue Perspektiven für deren Einsatz in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen.