A1 Aggregation und Verlust der kolloidalen Stabilität

Thema

Die Stabilität einer kolloidalen Suspension hängt von der elektrostatischen Abstoßung zwischen ihren Partikeln ab. Diese Abstoßung, die bereits in einem anderen Modell dieses Systems mithilfe der DLVO-Waage nachgewiesen wurde, muss ausreichen, um die Van-der-Waals-Anziehung auszugleichen, welche die Partikel ständig zusammenzieht. Reicht die elektrostatische Abstoßung nicht mehr aus, um die Van-der-Waals-Anziehung zu kompensieren, wird das Stabilitätskriterium für kolloidale Suspensionen verletzt, was zur irreversiblen Aggregation der Partikel führt. Eine Verringerung der elektrostatischen Abstoßung, ohne Änderung der zugrundeliegenden Van-der-Waals-Anziehung, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Suspension dieses Stabilitätskriterium verletzt.

Wenn die elektrostatische Abstoßung nicht mehr ausreicht, um die Van-der-Waals-Anziehung auszugleichen, und die Energiebarriere, die zwei Partikel vor ihrer Aggregation trennen sollte, vollständig verschwindet, erfolgt die Aggregation der kolloidalen Suspension so schnell, wie die Partikel durch einfache Brownsche Diffusion zueinander finden können. Diese rasche Aggregation wird vom Smoluchowski-Modell beschrieben und ist lediglich durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Partikel begrenzt, ohne dass eine zusätzliche Energiebarriere überwunden werden muss. Da diese kolloidale Suspension diese Energiebarriere vollständig vermissen lässt, wird die Geschwindigkeit der Aggregation laut Smoluchowski-Modell ausschließlich durch die Brownsche Diffusion der Partikel bestimmt.

Wenn die elektrostatische Abstoßung jedoch eine partielle Energiebarriere gegenüber der Van-der-Waals-Anziehung aufrechterhält, ohne diese vollständig zu eliminieren, verläuft die Aggregation dieser kolloidalen Suspension langsamer als die gleiche rasche Aggregation durch Diffusion. Diese langsame Aggregation quantifiziert den Fuchs-Stabilitätsfaktor, das Verhältnis der Anzahl der Diffusionsbegegnungen, die in Gegenwart dieser partiellen Energiebarriere für eine effektive Aggregation erforderlich sind, zu der Anzahl, die ohne Energiebarriere erforderlich wäre. Eine höhere partielle Energiebarriere bedeutet, dass diese langsame Aggregation gemäß dem Fuchs-Stabilitätsfaktor deutlich mehr Diffusionsvorgänge erfordert, um eine effektive Aggregation zu erreichen. Folglich ist ihre Aggregationsrate wesentlich geringer als die der schnellen Smoluchowski-Aggregation.

Daher kann dieses Modell, das die elektrostatische Abstoßung und die Aggregation der kolloidalen Suspension, die es initiierte, beschreibt, experimentell mithilfe eines weiteren Modells aus dieser Reihe untersucht werden. Dieses zweite Modell misst mittels dynamischer Lichtstreuung, wie sich die Partikelgröße dieser Suspension im Verlauf der Aggregation zeitlich verändert. Es misst außerdem mithilfe des Zeta-Potenzials die effektive Stärke der elektrostatischen Abstoßung, die dieses Modell initiierte. Da diese Aggregation – unabhängig davon, ob sie schnell oder langsam verläuft, je nach Vorhandensein oder Fehlen dieser Energiebarriere – nach ihrem Eintreten irreversibel ist, besteht die einzige praktikable Möglichkeit, sie zu verhindern, darin, diese elektrostatische Abstoßung von Anfang an über dem Schwellenwert des kolloidalen Stabilitätskriteriums zu halten.

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