Optimierung des Dispergiermediums von Partikelsuspensionen mithilfe der Hansen-Stabilitätsparameter
Hansen-Sphäre, ermittelt für TiO₂-Partikel
Die Formulierung stabiler Partikelsuspensionen ist für Wissenschaft und Industrie von großem Interesse, da sich dadurch die Produkteigenschaften und die Lebensdauer der Produkte verbessern lassen. Insgesamt ist die Wahl des Dispergier- bzw. Stabilisierungsmediums der Schlüsselfaktor, um Partikelagglomeration zu vermeiden, bevor Additive (Tenside, Polymere usw.) zugesetzt werden, die meist recht kostspielig sind. Der Ansatz nach Hansen kann angepasst werden, um die Partikelstabilität in verschiedenen Lösungsmitteln mithilfe von drei Parametern – δD, δP und δH – zu beschreiben, die die Wechselwirkungen zwischen Partikel und Dispergiermedium repräsentieren.
Dabei kann jedes Partikel oder Lösungsmittel als Punkt in einem 3D-Raum mit diesen Parametern als Koordinaten dargestellt werden. Die Partikelstabilität wird anhand einer Reihe bekannter Lösungsmittel mit großer Streuung in diesem 3D-Raum bewertet, gefolgt von einer Einstufung der getesteten Lösungsmittel als gute oder schlechte Stabilisierungsmedien. Die Grenze zwischen guten und schlechten Lösungsmitteln erlaubt die Konstruktion einer Sphäre, deren Zentrum den Hansen-Parametern des Partikels entspricht. Befindet sich ein weiteres Lösungsmittel innerhalb dieser Sphäre, kann es als gutes Stabilisierungsmedium angesehen werden. Befindet es sich außerhalb, wird die Suspension voraussichtlich schlecht stabilisiert. Auf diese Weise eignet sich der TURBISCAN Stability Index (TSI) ideal, um jedes Lösungsmittel hinsichtlich seiner Fähigkeit zur Stabilisierung von TiO₂-Partikeln zu bewerten und so die entsprechende Hansen-Sphäre zu konstruieren.
Hansen-Sphäre, ermittelt für TiO₂-Partikel
Mit der TURBISCAN-Technologie lassen sich selbst kleinste Stabilitätsunterschiede zwischen als gute Dispergiermedien getesteten Lösungsmitteln präzise erfassen – etwas, das mit herkömmlicher visueller Beurteilung nur sehr schwer möglich ist. Diese exakten Messungen ermöglichen die Erstellung einer Hansen-Sphäre, die deutlich aussagekräftiger und restriktiver ist als die klassischerweise durch visuelle Probencharakterisierung gewonnenen Sphären.
Neben der Vorhersage weiterer Lösungsmittel als gute oder schlechte Stabilisierungsmedien lässt sich auch eine Klassifizierung ihrer Stabilisierungseigenschaften ableiten: Je geringer der Abstand eines Lösungsmittels zum Zentrum der Sphäre, desto stabiler sollte die resultierende Suspension sein.
Auf diese Weise kann aus der Sphärendarstellung auch abgeleitet werden, wie sich die Suspensionsstabilität durch ein Gemisch verschiedener Lösungsmittel erhöhen lässt, wie etwa beim Ethanol/DMSO-Gemisch. Da Ethanol und DMSO an gegenüberliegenden Rändern der TiO₂-Hansen-Sphäre positioniert sind, liegt es nahe, ein Gemisch dieser beiden Lösungsmittel zu formulieren, das wesentlich näher am Sphärenzentrum liegt und dadurch eine bessere Suspensionsstabilität bietet.
Stabilitätsverbesserung der TiO₂-Suspension mit Ethanol/DMSO-Gemisch im Vergleich zu anderen Lösungsmitteln
Dieser Ansatz kann auch genutzt werden, um „grünere“ und kostengünstigere Lösungsmittel vorherzusagen, um die Partikelformulierung im Hinblick auf den Einsatz teurer Stabilisierungsadditive oder sich ändernde regulatorische Anforderungen zu optimieren. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Stabilisierung von Batterieslurries während der Lagerung, bei denen der Einsatz solcher Additive weniger relevant ist als die Optimierung der stabilisierenden Eigenschaften des Dispergiermediums.
