Jahresbericht I. Berichte

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1 Jahresbericht 2000 I. Berichte 1. Einfluß der interpartikulären Wechselwirkungskräfte auf das Ausfließen und Zerreißen metastabiler Benetzungsfilme Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J., Wenger, A. Zur Erklärung zahlreicher Koagulationsphänomene, bei denen die klassische DLVO-Theorie versagt, werden sogenannte weitreichenden hydrophoben Attraktionskräfte (LRHF) postuliert. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Anhaften von Feststoffteilchen an Gasblasen bei der Flotation. Bei diesem Heterokoagulationsprozess, dessen entscheidender Elementarvorgang das Ausfließen und Zerreißen des sich zwischen Teilchen und Blase bildenden dünnen Flüssigkeitsfilmes ist, sind in den meisten Fällen (wie z. B. in unserem verwendeten Modellsystem hydrophobisierte Silica-Oberfläche / Wasser / Luft) sowohl die elektrostatische als auch die VAN DER WAALS-Komponente der Wechselwirkungskräfte repulsiv. Deshalb sollten diese dünnen Filme stabil bleiben und ein Anhaften an die Gasblase verhindern. Das ist jedoch nicht der Fall, wenn die Teilchenoberfläche vorher hydrophobisiert wurde. Um diesen Widerspruch zu überbrücken, wird von zahlreichen Autoren in den letzten Jahren die Existenz der LRHF vermutet. Wir konnten erstmalig experimentell zeigen, dass für das Ausfließen, die Destabilisierung und das Zerreißen solcher Benetzungsfilme auf hydrophoben Silica-Oberflächen keinerlei langreichweitigen hydrophoben Anziehungskräfte verantwortlich sind. Im Gegenteil, das Dünnerwerden und Ausfließen steht in vollen Einklang mit der DLVO-Theorie und der bekannten Reynolds-Gleichung. Ursächlich für das Zerreißen dieser dünnen Filme sind Nukleationsprozesse, die nicht durch irgendwelche Anziehungskräfte gesteuert sind.

2 2 2. Zerreißverhalten dünner wäßriger Benetzungsfilme: Kapillarwellenmechanismus Wenger, A., Manev, E., Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J. Ziel: Beurteilung des Zerreißverhaltens dünner wäßriger Benetzungsfilme unter dem Einfluß eines Al 3+ - haltigen Elektrolyten. Ergebnisse: Das Zerreißverhalten dünner wäßriger Benetzungsfilme auf hydrophilen (makroskopischer Vorrückrandwinkel <20 ) Glasoberflächen unter dem Einfluß eines Al 3+ - haltigen Elektrolyten unterscheidet sich gravierend von dem hydrophobisierter (makroskopischer Vorrückrandwinkel >50 ) Glasoberflächen mit einem Al 3+ - freien Elektrolyten. In letzterem System geht die Entnetzung von nur einem Lochkeim aus und ist bereits nach ~10 ms abgeschlossen. Unter dem Einfluß eines Al 3+ - haltigen Elektrolyten bilden sich viele Lochkeime und die Entnetzungsgeschwindigkeit liegt um etwa Faktor niedriger. Erklärbar ist dieses Phänomen durch die DLVO-Theorie: Die Adsorption von Al 3+ - Ionen (Konzentration im Elektrolyten > mol/l) auf der sonst negativ geladenen (σ = -1 mc/m 2 ) Glasoberfläche führt dann zu einem positiven Potential. Nähert sich die negativ geladene Wasser / Luft - Grenzfläche (Ψ = -35 mv) an, so überwiegen bei Unterschreitung einer gewissen Distanz (~35 nm) der Phasengrenzen die Attraktionskräfte. Obwohl die Glasoberfläche sehr hydrophil ist, führt dies zu einem Zerreißen des Benetzungsfilms, und zwar an vielen Lochkeimen zugleich. Die lateralen Lochabstände dieser sogenannten "perforierten Benetzungsfilme" entsprechen genau den kritischen Wellenlängen der Kapillarwellen, welche sich durch die Anwendung der Theorie von SCHELUDKO auf unser untersuchtes System ergeben. 3. Charakterisierung der Heterogenität fester Oberflächen mittels Mikrotropfenkondensation Stöckelhuber, K. W., Passek, C. Reale Feststoffoberflächen, wie z.b. Quarz, Glas oder Silizium-Wafer weisen auch bei sorgfältigster Präparierung Heterogenitäten im Mikrometermaßstab auf, welche bei ihrer

3 3 Benetzbarkeit von großem Einfluss sind. Dies äußert sich dadurch, dass sich bei der Kondensation mikroskopisch kleiner Wassertröpfchen auf den genannten Oberflächen keine axisymmetrisch runden Tröpfchen, sondern Tropfen mit einer komplex geformten Dreiphasenkontaktlinie ausbilden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Stochastik der TU BA Freiberg (Prof. Stojan) wurden diese Strukturen nach ihren lokalen Krümmungsradien und lokalen Mikrorandwinkeln ausgewertet, mit dem Ziel, eine Kenngröße zu erhalten, welche die Heterogenität der untersuchten Oberfläche charakterisiert. 4. Die Dicke struktureller Barrieren um Siliziumdioxidteilchen Stechemesser, H., Lichtenfeld, H. Ziel: Ursachenermittlung der außergewöhnlichen, nach der DLVO-Theorie unerwartet hohen Stabilität von SiO 2 -Dispersionen am isolektrischen Punkt. Ergebnisse: Es wurde die Kinetik der schnellen Koagulation (Koagulationselektrolyt: mol/l KNO 3 ) monodisperser, kugelförmiger SiO 2 -Teilchen (Radius: 250 nm) bei neutralem ph mit der Koagulation am isoelektrischen Punkt verglichen. Sowohl für die schnelle Koagulation bei neutralem ph als auch am isolektrischen Punkt wurden Barrieredicken zwischen den Teilchen von 2.69 ± 0.04 nm bzw ± 0.06 nm bestimmt, die nicht durch die klassische DLVO-Theorie beschrieben werden können. Diese Barrieren werden möglicherweise durch abstoßende Hydratationskräfte induziert, die zwischen den hydrophilen SiO 2 -Oberflächen wirken. Ihre Ursache ist in der Hydratation der Ionen im Bereich der Oberfläche, einschließlich aller Änderungen der Struktur des Wassers unter dem Einfluß des von den Teilchenoberflächen ausgehenden Kraftfeldes zu suchen. Abschätzungen lassen den Rauhigkeitseinfluß der Teilchenoberflächen auf die Wechselwirkungsenergie zwischen den sich nähernden Teilchen ausschließen. Die Differenz zwischen den beiden Barrieren beträgt 0.46 nm, was der Dicke von zwei Wasserschichten entspricht. Beachtenswert ist, dass diese Differenz offensichtlich groß genug ist, die Stabilität der SiO 2 -Dispersionen am isoelektrischen Punkt zu verändern.

4 4 II. Veröffentlichungen A. Publikationen 1. Schulze, H. J., Stöckelhuber, K. W., Mahnke, J. New Investigations on the Rupture Process of Thin Liquid Films at the Particle-Bubble Adhesion Proceedings of the XXI. Intern. Mineral Proc. Congress Rome 2000, Elsevier, Amsterdam (2000), Vol. 2 S. B8a Stechemesser, H., Ahmed, M. M. Haftkraft und Flotationseffektivität: Theorie und Experiment Aufbereitungstechnik 41 (2000) Juni, S Tsekov, R., Stöckelhuber, K. W., Toshev, B. V. Disjoining Pressure and Surface Tension of a Small Drop Langmuir, 16 (2000) Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J., Wenger, A. Erstmals experimenteller Nachweis für die Nichtexistenz langweitreichender hydrophober Anziehungskräfte in dünnen Benetzungsfilmen Chem.-Ing.-Tech. 72 (2000) Nr. 10, S Tsekov, R., Letocart, P., Schulze, H. J. Dimple Relaxation in Wetting Films Langmuir 16 (2000) Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J., Wenger, A. Metastable water films on hydrophobic silica surfaces Progr. Coll. Polym. Sci., in Druck. 7. K. W. Stöckelhuber, H. J. Schulze, A. Wenger First experimental prove for the non-existence of long-range hydrophobic attraction forces in thin wetting films Chemical Engineering & Technology, in Druck. 8. Schulze, H. J., Stöckelhuber, K. W., Wenger, A. The influence of acting forces on rupture mechanisms of wetting films - nucleation or capillary waves Colloids and Surfaces A, zur Veröffentlichung eingereicht.

5 5 B. Vorträge 1. Schulze, H. J., Stöckelhuber, K. W., Wenger, A., Partzscht, H. Neue Untersuchungen zur Stabilität von Benetzungsfilmen GVC-Fachausschuß Grenzflächen, Berlin, 23./ Schulze, H. J. Neue Erkenntnisse aus der Mineralflotation, Relevantes für die Deinkingflotation? INGEDE FuA DEINKING, Graz, 25./ Schulze, H. J., Stöckelhuber, K. W., Mahnke, J. New Investigations on the Rupture Process of Thin Liquid Films at the Particle-Bubble Adhesion XXI. Intern. Mineral Proc. Congress Rome 2000, Wenger, A., Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J. Metastable aqueous wetting films on hydrophobic surfaces 10th IACIS meeting in Colloid and Interface Science, Bristol, Schulze, H. J. Elementarvorgänge im Flotationsschaum INGEDE FuA DEINKING, Ettringen, Sept Stöckelhuber, K. W., Wenger, A., Schulze, H. J. Metastable water films on hydrophobic surfaces 14th. Conference of the European Colloid and Interface Society, Patras, Schulze, H. J., Stöckelhuber, K. W. Rupture Mechanisms of Thin Liquid Films on Solid Surfaces Nucleation and Capillary Waves Universität Sofia, Fak. Chemie, Stechemesser, H., Lichtenfeld, H. Coagulation kinetics applied to the determination of the thickness of structural barriers around colloidal particles Third International Conference of the Kolloid-Gesellschaft e.v., Budapest Stöckelhuber, K. W., Wenger, A., Schulze, H. J. Zum Zerreißmechanismus dünner Wasserfilme zwischen Feststoffteilchen und Gasblasen Internationales Kolloquium des Sonderforschungsbereiches 285: Partikelwechselwirkung in der Mechanischen Verfahrenstechnik: Grundlagen und Anwendungen, Freiberg, Stechemesser, H., Lichtenfeld, H. Die Dicke struktureller Barrieren um Siliziumdioxid-Teilchen 3. Kolloquium des SPP 1062 Handhabung hochdisperser Pulver, Bad Orb, 20./

6 6 III. Gastwissenschaftler und Vorträge Gastwissenschaftler Prof. Manev, E. Universität Sofia, Fak. Chemie, Juni-September 2000 Vortragsveranstaltungen 1. Wenger, A. Literaturübersicht über Gasblasennukleation an Festkörperoberflächen Manev, E., Universität Sofia, Fak. Chemie Surfactant and Electrolyte Effects in Thin Liquid Films Lichtenfeld, H. Untersuchung der Koagulationskinetik mit Einzelteilchen-Streulicht-Photometrie Stechemesser, H. Koagulationskinetik und Strukturbarrieren um nanoskalierte Teilchen Petkanchin, I., Bulgar. Akad. der Wissenschaften, Inst. Phys. Chem. Sofia Electro-optical Investigations of Model Colloid Systems related to Ecology

7 7 IV. Nationale und internationale Kooperationen 1. Technische Universität München, Institut für Technische Chemie Prof. W. Nitsch, Dr. T. Michel. 2. Institut für Polymerforschung, Dresden Dr. Grundke, Dr. F. Simon, Dr. V. Dutschk. 3. Universität Regensburg, Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Prof. H.-H. Kohler. 4. Max-Planck-Institut für Kolloide und Grenzflächenforschung, Berlin Dr. D. Vollhardt, Dr. R. Miller. 5. University of South Australia, Adelaide, Australien, Ian Wark Research Institute Prof. J. Ralston. 6. University of New South Wales, Newcastle, Australien Dr. A. Nguyen Van. 7. University of Sofia, Bulgarien, Fakultät Chemie Prof. B. Radoev, Gastwissenschaftler im SFB Saxol Chemie, Pirna. 9. Schill und Seilacher, Böblingen. VI. Finanzierungen: 1. Max-Planck-Gesellschaft Dr. sc. nat. H. J. Schulze Dr. rer. nat. H. Stechemesser 2. Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB 285-Partikelwechselwirkung Dr. K. W. Stöckelhuber Dipl.-Chem. A. Wenger Prof. B. Radoev (Sofia), Gastwissenschaftler 3. Deutscher Akademischer Austauschdienst Prof. E. Manev 4. Deutsche Forschungsgemeinschaft, SSP 1062 Handhabung hochdisperser Pulver Dr. H. Lichtenfeld