Tenside

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Tenside werden in der Oberflächentechnik eingesetzt, wenn Prozesschemikalien Werkstücke vollständig benetzen sollen, Reinigungsaufgaben zu lösen sind oder stabile Bearbeitungsemulsionen benötigt werden. Der chemische Aufbau von Tensidmolekülen bewirkt, dass sich die Oberflächenspannung von Wasser verringert und dass sich Öltropfen oder Feststoffteilchen gleichmäßig im Wasser verteilen lassen. Die Wirkung ist vor allem von der Tensidkonzentration abhängig.

Aufbau und Wirkung von Tensidverbindungen

Polare und unpolare Stoffe

Alle Stoffe bestehen aus Atomen mit einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Hülle. Die negative Ladung wird von Elektronen hervorgerufen. Verbinden sich Atome zu Molekülen, verteilen sich die außen liegenden Elektronen entweder gleichmäßig oder ungleichmäßig im Molekül. Bei einer ungleichmäßigen Verteilung hat das Molekül eine positive und eine negative Seite, anders gesagt einen Pluspol und einen Minuspol. Derartige Stoffe heißen in der Chemie polar. Dazu gehören zum Beispiel Wasser, Salze, Laugen und Säuren. Moleküle mit gleichmäßig verteilten Elektronen bilden unpolare Stoffe, wie Öle und Fette.

Löslichkeit

In polaren Stoffen ordnen sich die Moleküle durch die elektrischen Anziehungskräfte regelmäßig an. Jedem Pluspol steht der Minuspol eines anderen Moleküls gegenüber. Am Wechselspiel von Plus und Minus können unterschiedliche polare Stoffe teilnehmen. Diese Stoffe sind ineinander löslich. Unpolare Moleküle finden zwischen den polaren keinen Platz. Daraus bestehende Stoffe lassen sich zwar untereinander gleichmäßig vermischen, jedoch nicht mit polaren.

Tenside sind komplexe chemische Verbindungen, deren Moleküle aus einer polaren, wasserliebenden (hydrophilen) und einer unpolaren, wasserabstoßenden (hydrophoben) Atomgruppe zusammengesetzt sind.

Diese Eigenschaft wird amphiphil genannt, was so viel wie “beides liebend” bedeutet. Ist die polare Atomgruppe negativ geladen, handelt es sich um anionische Tenside, ist sie positiv geladen, liegen kationische Tenside vor. Darüber hinaus existieren nichtionische und amphotere Tensidverbindungen, bei denen die Polarität durch reaktive Gruppen organischer Verbindungen bzw. Zwitterionen entsteht. Indem jedes Tensidmolekül auf der einen Seite ein Wassermolekül und auf der anderen ein unpolares Molekül festhält, wird es zum Lösungsvermittler.

Einfluss auf die Oberflächenspannung

Im Inneren der Flüssigkeit ist jedes Wassermolekül gleichmäßig von anderen umringt. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft kommen die Wassermoleküle nur auf der der Luft abgewandten Seite mit ihren Gefährten in Berührung. Durch die elektrischen Anziehungskräfte bildet sich an der Oberfläche eine “Haut”, die auch Wassertropfen zusammenhält. Die Widerstandsfähigkeit dieser Haut gegen mechanische Kräfte wird als Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung bezeichnet.

Wird ein geringe Menge Tensid in Wasser gegeben, sammeln sich die Moleküle an der Oberfläche. Die polaren Seiten ragen in das Wasser, die unpolaren zeigen in die Luft. Die Wasserhaut verschwindet. Damit verringert sich die Grenzflächenspannung und vorhandene Tropfen fließen auseinander. Diese Wirkung wird unter anderem beim Einsatz von Tensiden als Netzmittel genutzt. Sie sorgen dafür, dass sich wässrige Lösungen gleichmäßig auf Oberflächen verteilen und nicht abperlen. Aus diesem Zusammenhang resultiert die Bezeichnung als oberflächenaktive Substanzen.

Wirkungsmechanismus: Wie Tenside die Grenzflächenspannung beeinflussen

Die Wirkungsweise von Tensiden auf die Grenzflächenspannung folgt einem genau definierbaren Mechanismus, der für das Verständnis ihrer Anwendung in der Oberflächentechnik entscheidend ist. Wenn Tensidmoleküle zu einer wässrigen Lösung hinzugefügt werden, verteilen sie sich zunächst gleichmäßig im Volumen. Aufgrund ihrer amphiphilen Struktur streben die Moleküle jedoch zur Oberfläche, da dort die hydrophoben Ketten aus dem Wasser herausragen können.

Mit steigender Tensidkonzentration besetzt eine zunehmende Anzahl von Molekülen die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Die Oberflächenspannung sinkt kontinuierlich, da die stark gerichteten Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen durch die Tensidmoleküle unterbrochen werden. Dieser Prozess setzt sich fort, bis die gesamte Oberfläche mit einer monomolekularen Tensidschicht bedeckt ist. Ab diesem Punkt bringt eine weitere Erhöhung der Tensidkonzentration keine zusätzliche Verringerung der Oberflächenspannung mehr.

Die kritische Mizellbildungskonzentration, abgekürzt CMC, markiert den Punkt, an dem sich bei weiterer Tensidgabe Mizellen im Inneren der Lösung bilden. Die CMC ist eine charakteristische Größe für jedes Tensid und hängt von dessen molekularem Aufbau, der Temperatur und der Zusammensetzung des Lösungsmittels ab. Unterhalb der CMC befinden sich die Tensidmoleküle hauptsächlich an der Oberfläche und als freie Monomere in der Lösung. Oberhalb der CMC steigt die Konzentration freier Monomere praktisch nicht mehr an, stattdessen bilden sich zunehmend Mizellen.

Die Grenzflächenspannung in Emulsionen wird durch Tenside drastisch reduziert. An der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser sorgen die Tensidmoleküle dafür, dass die Öltröpfchen nicht zu größeren Tropfen koaleszieren. Die hydrophoben Ketten ragen in die Öltropfen, während die hydrophilen Köpfe ins Wasser zeigen. Diese Anordnung stabilisiert die Emulsion mechanisch und elektrisch. Bei geladenen Tensiden entsteht zusätzlich eine elektrische Abstoßung zwischen den Tropfen, die deren Vereinigung verhindert. Die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser sinkt von typischerweise 50 mN/m auf Werte unter 10 mN/m, wodurch die Bildung sehr feiner, stabiler Emulsionen möglich wird.

Die Temperaturabhängigkeit der Tensidwirkung ist besonders bei nichtionischen Tensiden ausgeprägt. Mit steigender Temperatur nimmt deren Löslichkeit in Wasser ab, während sie in Öl besser löslich werden. Bei einer charakteristischen Temperatur, dem Trübungspunkt, fällt ein nichtionisches Tensid aus der wässrigen Lösung aus. Dieser Effekt kann technisch genutzt werden, etwa zur temperaturgesteuerten Phasentrennung in Emulsionen. Ionische Tenside zeigen ein weniger stark ausgeprägtes Temperaturverhalten, da die elektrostatischen Wechselwirkungen ihre Löslichkeit über einen weiten Temperaturbereich stabilisieren.

Bildung von Mizellen

Ist die gesamte Oberfläche von Tensidmolekülen besetzt, bewirkt die Zugabe weiterer Tenside die Bildung von Mizellen im Wasser. Dabei ordnen sich die Moleküle zu Kugelgebilden an. Außen befinden sich die polaren Atomgruppen, im Kugelinneren die unpolaren. Steigt die Tensidkonzentration weiter, finden sich die Kugeln zu stäbchenförmigen Gebilden und schließlich zu Lamellen zusammen.

Befinden sich Öltropfen oder Schmutzteilchen im Wasser, lagern sich dort Tensidmoleküle an und umschließen sie. Dadurch entstehen stabile Emulsionen (Öl + Wasser) oder Suspensionen (Feststoffteilchen + Wasser). In der Chemie lautet der Oberbegriff für solche Stoffgemische Dispersion. Reiniger basieren auf der dispergierenden Wirkung von Tensiden.

Die vier Tensidtypen im Detail: Anionische, kationische, nichtionische und amphotere Tenside

In der Chemie unterscheidet man vier Hauptgruppen von Tensiden, die sich durch die Ladung ihrer hydrophilen Kopfgruppe voneinander abgrenzen. Jeder Tensidtyp besitzt spezifische Eigenschaften, die ihn für bestimmte Anwendungen in der Oberflächentechnik besonders geeignet machen.

Anionische Tenside: Aufbau und Verwendung

Anionische Tenside tragen eine negativ geladene funktionelle Gruppe. Der Aufbau anionischer Tenside umfasst typischerweise eine langkettige Kohlenwasserstoffkette als hydrophoben Teil und eine Carboxylat-, Sulfonat- oder Sulfatgruppe als hydrophilen, negativ geladenen Teil. Zu den bekanntesten Vertretern gehören Seifen (Fettsäuresalze), Alkylsulfate und Alkylbenzolsulfonate.

Die Verwendung anionischer Tenside erfolgt hauptsächlich in alkalischen Reinigungsmitteln, da sie in diesem pH-Bereich ihre beste Wirkung entfalten. In der industriellen Teilereinigung kommen sie zum Einsatz, wenn ölige und fettige Verschmutzungen von Metalloberflächen entfernt werden müssen. Ihre ausgezeichnete Reinigungskraft und gute Schaumbildung machen sie zu einem wichtigen Bestandteil von Entfettungslösungen. In sauren Medien können anionische Tenside allerdings ausfallen, was ihre Anwendung in solchen Systemen einschränkt. Ein weiterer Nachteil liegt in der eingeschränkten Verträglichkeit mit hartem Wasser, da sich mit Calcium- und Magnesiumionen schwerlösliche Salze bilden können.

Kationische Tenside: Funktion und Einsatzgebiete

Kationische Tenside besitzen eine positiv geladene Kopfgruppe, meist in Form von quartären Ammoniumverbindungen. Die Funktion kationischer Tenside unterscheidet sich deutlich von der anionischer Vertreter. Während anionische Tenside vor allem als Reiniger wirken, zeichnen sich kationische Tenside durch ausgeprägte antimikrobielle Eigenschaften aus. Sie lagern sich an negativ geladene Bakterienzellwände an und zerstören deren Struktur.

In der Oberflächentechnik finden kationische Tenside Verwendung als Korrosionsinhibitoren. Sie bilden auf Metalloberflächen Schutzfilme, indem sich die positiv geladenen Kopfgruppen an das negativ polarisierte Metall anlagern, während die hydrophoben Ketten nach außen zeigen und so eine wasserabweisende Schutzschicht bilden. Diese Eigenschaft wird bei temporären Korrosionsschutzmitteln genutzt. Aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung kommen kationische Tenside auch in Biozidformulierungen für Kühlschmierstoffemulsionen zum Einsatz, wo sie das Bakterien- und Pilzwachstum hemmen. Allerdings sind kationische Tenside nicht mit anionischen kombinierbar, da sie sich gegenseitig neutralisieren und ausfällen würden.

 

Nichtionische Tenside: Struktur, Funktion und vielseitige Anwendungen

Nichtionische Tenside enthalten keine ionischen Gruppen. Stattdessen entsteht ihre Hydrophilie durch polare, aber ungeladene funktionelle Gruppen wie Hydroxyl-, Ether- oder Estergruppen. Die Strukturformel nichtionischer Tenside zeigt typischerweise eine langkettige Kohlenwasserstoffkette, die mit Ethylenoxid-Einheiten verbunden ist. Die Anzahl der Ethylenoxid-Einheiten bestimmt dabei den hydrophilen Charakter.

Die Funktion nichtionischer Tenside beruht auf ihrer außergewöhnlichen Vielseitigkeit. Sie sind sowohl mit anionischen als auch mit kationischen Tensiden verträglich und können über einen weiten pH-Bereich eingesetzt werden. Nichtionische Tenside zeigen eine ausgezeichnete Emulgierwirkung und geringe Schaumbildung, was sie für viele technische Prozesse ideal macht. Anders als anionische Tenside werden sie nicht durch Wasserhärte beeinträchtigt.

Tensidische Anwendungen nichtionischer Tenside umfassen ein breites Spektrum. In der Metallbearbeitung dienen sie als Emulgatoren in Kühlschmierstoffkonzentraten. Beim Anmischen mit Wasser bilden nichtionische Tenside stabile Öl-in-Wasser-Emulsionen, die sowohl kühlende als auch schmierende Eigenschaften vereinen. In Reinigungsprozessen werden sie eingesetzt, wenn eine geringe Schaumbildung erwünscht ist, etwa bei Spritzreinigungsanlagen. Die Funktion nichtionischer Tenside in Lacksystemen besteht darin, Pigmente gleichmäßig zu dispergieren und die Benetzung der Untergründe zu verbessern. Alkylpolyglycoside, eine Untergruppe der nichtionischen Tenside, werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und zeichnen sich durch besonders gute biologische Abbaubarkeit aus, was sie für umweltfreundliche Formulierungen attraktiv macht.

Amphotere Tenside: Anpassungsfähige Allrounder

Amphotere Tenside, auch als zwitterionische Tenside bezeichnet, enthalten sowohl eine positive als auch eine negative Ladung im selben Molekül. Abhängig vom pH-Wert des Mediums können sie sich wie anionische oder wie kationische Tenside verhalten. Im sauren Bereich überwiegt die positive Ladung, im alkalischen die negative, während sie am isoelektrischen Punkt nahezu neutral sind.

Diese Anpassungsfähigkeit macht amphotere Tenside besonders wertvoll für Formulierungen, die über einen weiten pH-Bereich stabil bleiben müssen. Sie sind mit allen anderen Tensidtypen verträglich und werden häufig in Kombination mit anionischen oder nichtionischen Tensiden eingesetzt, um deren Eigenschaften zu optimieren. In der Oberflächentechnik finden amphotere Tenside Verwendung in universellen Reinigungsmitteln, die sowohl für saure als auch für alkalische Anwendungen geeignet sein müssen. Betaine und Aminoxide gehören zu den wichtigsten Vertretern dieser Gruppe.

Tenside in der Beschichtungstechnik

Ein umfangreiches Teilgebiet in der Oberflächenbehandlung bildet die Beschichtung mit Farben und Lacken. Beim Tensideeinsatz in Beschichtungsstoffen nutzt man die Fähigkeit zur Verringerung der Grenzflächenspannung und das Vermögen, Feststoffteilchen gleichmäßig in Flüssigkeiten zu verteilen. Durch die Verringerung der Grenzflächenspannung fließt die Farbe an alle Stellen der Teileoberflächen und kann auch in enge Spalten eindringen. Die Farbpigmente können sich nicht zusammenklumpen und absetzen, weil sie von einer Tensidhülle umschlossen sind.

Verwendung von Tensiden als Reiniger

Die Eigenschaft als Lösungsvermittler ist die Grundlage für die Reinigungswirkung der Substanzen. In der Chemie emulgierend und demulgierend wirkende Tenside bekannt. Industriereiniger mit emulgierenden Tensiden ermöglichen es, fettige und staubige Verschmutzungen von Oberflächen abzuwaschen und in der Reinigungslösung zu verteilen. Da die Tensidmoleküle während Reinigung an die jeweiligen Verschmutzungen gebunden werden, nimmt der Anteil freier, aktiver Moleküle ständig ab. In Reinigungsbädern müssen deshalb häufig Tenside nachdosiert werden. Wenn eine maximale Schmutzfracht erreicht ist, erfolgt der Wechsel der Reinigungslösung.

Mit demulgierenden Tensiden lassen sich die gebundenen Moleküle zusammen mit dem Schmutz wieder aus dem Wasser entfernen. Eine Tensidverbindung, die eine Emulsionstrennung bewirkt wird in der Chemie als Demulgator bezeichnet. Demulgatoren verdrängen die emulgierenden Moleküle und nehmen ihren Platz ein. Dadurch bilden sich aus der Flüssigkeit eine ölige und eine wässrige Phase aus. In Abscheidern können die Flüssigkeiten voneinander getrennt und das Wasser zurückgewonnen werden. Werden Reinigungslösungen aus Bädern im Kreislauf durch Abscheider geführt, lassen sich die Badstandzeiten deutlich verlängern.

Wirkung von Tensiden in Bearbeitungsemulsionen

Zur Kühlung und zur Verringerung der Reibung bei der spanenden Bearbeitung von Oberflächen werden häufig wassergemischte Kühlschmierstoffe eingesetzt. Von Vorteil ist dabei die gute Kühlwirkung des Wassers. Für die Schmierung sorgt untergemischtes Öl. Mit Hilfe von Tensiden wird erreicht, dass die beiden Flüssigkeiten eine stabile Emulsion bilden.

 

Tensidauswahl für die Oberflächentechnik: Synthetische vs. natürliche Tenside

Die Auswahl des geeigneten Tensids oder der richtigen Tensidkombination ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Prozesschemikalien in der Oberflächentechnik. Dabei spielen sowohl die chemischen Anforderungen des Prozesses als auch ökologische und wirtschaftliche Überlegungen eine Rolle.

Synthetische Tenside der Chemie werden gezielt für spezifische Anforderungen entwickelt und produziert. Sie bieten eine gleichbleibende Qualität, präzise einstellbare Eigenschaften und sind in großen Mengen verfügbar. Alkylbenzolsulfonate als synthetische anionische Tenside zeichnen sich durch ausgezeichnete Reinigungskraft und Kosteneffizienz aus. Ethoxylierte Alkohole als nichtionische Vertreter ermöglichen die Herstellung hochstabiler Emulsionen über weite Temperaturbereiche. Synthetische Tenside können jedoch Nachteile hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit aufweisen und stammen überwiegend aus petrochemischen Rohstoffen.

Natürliche oder naturbasierte Tenside gewinnen zunehmend an Bedeutung. Seifen aus pflanzlichen oder tierischen Fetten waren die ersten genutzten Tenside überhaupt. Moderne biobasierte Tenside wie Alkylpolyglycoside werden aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zucker und Fettalkoholen synthetisiert. Sie vereinen gute technische Eigenschaften mit hervorragender biologischer Abbaubarkeit. Lecithine aus Sojabohnen oder Sonnenblumen dienen als natürliche Emulgatoren in speziellen Anwendungen. Der höhere Preis naturbasierter Tenside wird durch Nachhaltigkeitsvorteile und günstigere Ökobilanzen teilweise kompensiert.

Für verschiedene Anwendungen in der Oberflächentechnik eignen sich unterschiedliche Tensidtypen optimal. Alkalische Reiniger für die Entfettung von Stahlteilen basieren primär auf anionischen Tensiden, die in diesem pH-Bereich ihre maximale Reinigungswirkung entfalten. Oft werden sie mit nichtionischen Tensiden kombiniert, um die Schaumbildung zu kontrollieren und die Benetzung zu verbessern. Saure Reiniger für Edelstahl oder Aluminium enthalten bevorzugt nichtionische Tenside, da anionische in saurem Milieu ausfallen würden. Für Korrosionsschutzmittel kommen häufig kationische Tenside zum Einsatz, deren positiv geladene Gruppen an Metalloberflächen haften und Schutzfilme bilden.

In Kühlschmierstoffemulsionen werden überwiegend nichtionische Tenside eingesetzt, oft in Kombination mit anionischen Vertretern. Diese Mischung gewährleistet stabile Emulsionen über lange Standzeiten, gute Benetzung der Werkstückoberflächen und ausreichenden Korrosionsschutz. Die geringe Schaumneigung nichtionischer Tenside ist bei den hohen Pumpenleistungen moderner Werkzeugmaschinen von Vorteil. Bei der Formulierung von Lacken und Beschichtungsstoffen kommen je nach System unterschiedliche Tensidtypen zum Einsatz. Wasserbasierte Lacke enthalten nichtionische oder anionische Tenside zur Pigmentdispergierung und Benetzungsverbesserung. Die Tensidauswahl beeinflusst entscheidend die Stabilität der Pigmentverteilung, das Verlaufverhalten und die Haftung auf dem Untergrund.

Synergistische Effekte durch Tensidkombinationen erweitern das Anwendungsspektrum. Mischungen aus anionischen und nichtionischen Tensiden zeigen oft bessere Reinigungsleistungen als die Einzelkomponenten. Die anionischen Tenside sorgen für die Primärreinigung, während die nichtionischen die Wiederablagerung von Schmutz verhindern und die Spülbarkeit verbessern. Amphotere Tenside in Kombination mit anderen Typen können die Hautverträglichkeit von Reinigern verbessern und deren pH-Toleranz erweitern. Bei der Entwicklung moderner Prozesschemikalien werden Tensidsysteme zunehmend computergestützt optimiert, um die gewünschten Eigenschaften mit minimaler Umweltbelastung zu erreichen.

Fazit: Tenside sind in der chemischen Oberflächentechnik wichtig

Die Chemie stellt der Oberflächentechnik eine große Palette von Tensiden mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Verfügung. Jede Tensidverbindung entfaltet ihre Wirkung im Zusammenspiel mit den anderen beteiligten Stoffen. Eine geringe Tensidkonzentration wirkt sich reduzierend auf die Grenzflächenspannung wässriger Lösungen aus. Über eine geregelte Dosierung lässt sich so das Fließverhalten von Farben und Lacken steuern. Für Reiniger wird ein erhöhter Tensidgehalt benötigt, bei dem sich die Tensidmoleküle auch im Inneren von Flüssigkeiten verteilen. Der Anteil von Tensiden in Kühlschmierstoffemulsionen richtet sich nach der benötigten Ölkonzentration.