Tenside
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Tenside, [vom lateinischen tensus (van tendere - spannen, straff anziehen)], sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen und die Bildung von Dispersionen ermöglichen oder unterstützen.
Tenside bewirken, dass zwei eigentlich nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, fein vermengt werden können. Unter Tensiden versteht man in der Regel waschaktive Substanzen (Detergentien), die in Waschmitteln, Spülmitteln, und Shampoos enthalten sind. Sie wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und haben das traditionelle Tensid Seife weitgehend verdrängt. Beim Einsatz in der Lebensmitteltechnik werden Tenside als Emulgatoren bezeichnet.
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[Bearbeiten] Eigenschaften
Die Funktion der Tenside lässt sich durch ihren molekularen Aufbau erklären. Tenside bestehen allgemein aus einem hydrophoben, wasserabweisenden Kohlenwasserstoffrest und einem hydrophilen, "wasserliebenden" Molekülteil; man sagt, sie sind amphiphil. In den folgenden Abbildungen sind die "wasserliebenden" Molekülteile durch ein Minuszeichen oder einen roten Punkt gekennzeichnet.
Gibt man Tenside in Wasser, ordnen sich die einzelnen Tensidmoleküle ab einer kritischen Konzentration und bilden innerhalb des Wassers meist sehr kleine Tröpfchen, die Mizellen genannt werden. Dabei richten sich die Tensidmoleküle so aus, dass die hydrophoben Enden sich im Inneren der Tröpfchen sammeln und die hydrophilen Enden sich in Richtung des Wassers anordnen. Jedoch sind – meist in Abhängigkeit von der Konzentration – auch beispielsweise die Ausbildung von sogenannten wurmartigen (worm-like) Mizellen möglich, auch die Einkapselung von Wasser kann durch eine Tensiddoppelschicht vorkommen.
An der Wasseroberfläche bilden die Tenside eine dünne Schicht und senken damit die Oberflächenspannung des Wassers. Auch hier ordnen sich die Tensidmoleküle an. Die hydrophilen Enden ragen in Richtung des Wassers, die hydrophoben Enden ragen in Richtung der Luft.
- Der Einfluss von Tensiden auf die Oberflächenspannung kann durch ein einfaches Experiment demonstriert werden: man bringt auf eine Wasseroberfläche (ohne darin enthaltende Tenside) einen leichten Gegenstand (zum Beispiel eine Stecknadel) auf. Dieser wird im Normalfall nicht untergehen, sondern infolge der hohen Oberflächenspannung von Wasser getragen. Gibt man sodann kleine Mengen eines Tensids (zum Beispiel Spülmittel) hinzu, verringert sich die Oberflächenspannung so stark, dass sie der durch die höhere Dichte des aufgebrachten Gegenstandes auf die Wasseroberfläche wirkenden Gewichtskraft nicht mehr entgegenwirken kann, und der Gegenstand geht unter.
Wirkung als Emulgator: Tenside bewirken, dass zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten (zum Beispiel Öl in Wasser) sich zu einer Emulsion vermengen können. Aufgrund amphiphilen Charakters des Tensids dringen sie mit ihrem fettlöslichen Teil in das Öl ein. Durch den hydrophilen Teil kann das nun durch Rühren entstandene Öltröpfchen in der wässrigen Umgebung "in Lösung gehalten" werden.
Von Netzmitteln spricht man, wenn das Ziel des Einsatzes der Tenside nicht die Vermischung zweier Phasen ist, sondern die Herabsetzung der Grenzflächenspannung zwischen einer festen Oberfläche und einer Flüssigkeit ist. Wasser fließt, statt Tropfen zu bilden, leichter von einer Oberfläche ab. Im Fotolabor werden Tenside als Netzmittel eingesetzt, um Trockenflecken auf Fotomaterialien nach der Schlusswässerung zu verhindern.
Tenside unterstützen das Ablösen kleiner Feststoffteilchen von festen Oberflächen, also z. B. die Entfernung der Schmutzpartikel an Kleidungsstücken. Die Feststoffteilchen werden im Wasser "in der Schwebe gehalten". Es unterstützt die Bildung und den Erhalt einer so genannten Suspension. Die Tenside lagern sich ähnlich zu einer Emulsion um die Feststoffteilchen an und hemmen das Zusammenklumpen, Absinken (= Sedimentieren) und erneute Anhaften an anderen festen Oberflächen, die selbst mit einer "Tensidschicht" belegt sind. Die mit dem Tensid ummantelten Feststoffteilchen bilden mit dem Wasser ein sogenanntes Kolloid. Als Dispergiermittel werden Tenside bezeichnet, die die festen Pigmente in einem (noch) flüssigen Lack in der Schwebe halten.
Die Bildung von Schaum ist auf die Eigenschaften von Tensiden zurückzuführen. Die Tensidmoleküle bilden einen aus zwei Schichten bestehenden Film, bei dem die hydrophoben Enden der Tenside die beiden Oberflächen bilden. Die hydrophilen Enden weisen in den Film hinein. Eine starke Schaumentwicklung kann beim Einsatz oder Anwesenheit von Tensiden störend sein, weshalb Entschäumer Einsatz finden.
Anionische Tenside bilden mit Kationen der Erdalkalimetalle unlösliche Niederschläge, die im allgemeinen als Kalkseifen bezeichnet werden. Kalkseifen haben nicht mehr die oben dargestellten Eigenschaften der "löslichen" Tenside. Die Bildung der Kalkseifen ist auf die Wasserhärte zurückzuführen. Werden Tenside als Detergentien verwendet, ist im Waschmittel ein Enthärter beigesetzt.
[Bearbeiten] Struktur der Tenside
Alle Tenside sind aus einem unpolaren und einem polaren Teil (Funktionelle Gruppen) aufgebaut. (-> Polarität) Als unpolarer Teil dient immer eine Alkylgruppe. Der polare Teil kann verschieden aufgebaut sein und ist in der Tabelle zusammengefasst.
| Tenside | polare Gruppe(n) |  |
|---|---|---|
| nichtionische Tenside | -OH (Alkohol) und -O- (Ether) | |
| anionische Tenside | -COO- (Carboxylat), -SO3- (Sulfonat) und -SO42- (Sulfat) | |
| kationische Tenside | immer eine quarternäre Ammonium-Einheit | |
| amphotere Tenside (zwitterionische Tenside) |
meist -COO- (Carboxylat) und eine quarternäre Ammonium-Einheit |
Häufig wird versucht zwischen natürlichen und synthetischen Tensiden zu unterscheiden. Diese Unterscheidung ist nicht einfach und nicht immer sinnvoll. Ein natürlich vorkommendes Tensid ist beispielsweise Lecithin. Tenside natürlichen Ursprungs sind zum Beispiel Seifen, die aus natürlichen Rohstoffen (zum Beispiel Tierfetten) durch Verseifung hergestellt werden. Die Herstellung erfordert jedoch eine tief greifende chemische Reaktion. Synthetische Tenside werden aus dem Rohstoff wie Erdöl, aber auch Sonnenblumenöl durch zahlreiche chemische Reaktionen hergestellt. Wichtiger als der Ursprung eines Tensides ist jedoch seine biologische Abbaubarkeit. Tenside werden zwar regelmäßig auf ihr Vorkommen im Trinkwasser kontrolliert, nicht jedoch ihre z.T. erheblich giftigeren Abbauprodukte. Die gesundheitlichen Wirkungen von Tensiden sind bislang kaum erforscht.
[Bearbeiten] Anwendung von Tensiden
[Bearbeiten] Tenside in der Lebensmittelindustrie
Tenside werden in der Lebensmittelindustrie vor allem für Fertigbackmischungen eingesetzt.
[Bearbeiten] Tenside in Waschmittel und Kosmetik
In Waschmitteln, Spülmitteln, Shampoos, Duschgels usw. finden Tenside Verwendung, um die "Löslichkeit" von Fett- und Schmutzpartikeln, die in der Wäsche oder am Körper haften, in Wasser zu erhöhen. Sie bilden die wichtigste Komponente in Kosmetika, um fetthaltige Hautcreme herzustellen.
[Bearbeiten] Tenside in der Technik
Kunststofftechnik: Eine Spezialanwendung finden Tenside in der Kunststofftechnik. Dabei werden wässrige Tensidlösungen eingesetzt, um die Anfälligkeit von polymeren Werkstoffen für Spannungsrissbildung zu prüfen. Weiterhin werden Tenside eingesetzt, um die Versagenszeit von Langzeitversuchen zu verkürzen; insbesondere bei Risswachstumsversuchen an Polyethylen findet dies Anwendung (z. B.: Full Notch Creep Test für die Prüfung von PE-Typen die für Rohrleitungen eingesetzt werden).
In der Kunststofftechnik sind vor allem die folgenden Netzmittel gebräuchlich:
- Arkopal N100, N110 und N150
- Igepal CO630
- Teepol
Metallbearbeitung: Bestandteil in wassergemischten Kühlschmiermitteln
Fotografie: Verhinderung von Trocknungsflecken und Schlieren bei der Filmentwicklung
Papierrecycling: Ablösung der Druckfarbenteilchen von den Papierfasern und Transport der Druckfarbe an die Oberfläche beim Deinking
Eine wichtige Rolle spielen sie auch bei der Werkzeugreinigung.
[Bearbeiten] Tenside in der Brandbekämpfung
Eine Methode zur Brandbekämpfung ist das Löschen mit "entspanntem Wasser", auch bekannt als light water, d. h. Wasser mit einer stark verringerten Oberflächenspannung. Dies bringt zum einen den Vorteil mit sich, dass das Löschwasser besser in brennende Materialien wie Holz oder Stoff eindringen kann und somit eine noch besseren Kühleffekt nach sich zieht. Zum anderen kann mit oberflächenaktiven Substanzen versetztes Löschwasser infolge deren Wirkung als Fließverbesserer bei gleicher Pumpleistung das Wasser über eine größere Distanz gespritzt werden. Letzterer Effekt wird jedoch nicht bewusst genutzt. Spezielle Schaummittel (AFFF) zur Bekämpfung von Flüssigkeitsbränden enthalten perfluorierte Tenside, die zwischen Brandgut und Schaum einen gasdichten Flüssigkeitsfilm ausbilden, der dem Schaumteppich gleichzeitig bessere Gleiteigenschaften verleiht und so ein Löschen von größeren Flüssigkeitsbränden u. U. überhaupt erst ermöglicht.
