Schaumbildner

Schaumbildner, auch Schäummittel, Schaummittel oder einfach Schäumer genannt, sind Additive, die im Basismedium Wasser durch mechanische Durchmischung oder Gaseintrag für die Bildung voluminöser Schäume sorgen. Es handelt sich dabei um grenzflächenaktive Substanzen (Tenside). Zudem dienen grenzflächenwirksame Proteine in Lebensmitteln häufig als natürlich vorkommende oder zugesetzte Schaumbildner, z. B. im Bier.

In der Materialtechnik werden auch Treibmittel, die durch Gasfreisetzung oder Verdampfung Schaum erzeugen, als Schaumbildner bezeichnet. Dieses Glossar zur Grenzflächenchemie widmet sich ausschließlich schaumerzeugenden Tensiden.

Wozu werden Schaumbildner benötigt?

Schaum wird in einer Vielzahl von Produkten für verschiedene Zwecke gezielt erzeugt:

• Reinigung: In Wasch- und Reinigungsschäumen sind die reinigenden und pflegenden Wirkstoffe fein verteilt und sorgen aufgrund der großen inneren Oberfläche für einen intensiven und gleichmäßigen Grenzflächenkontakt. Daher sind Schaumbildner in vielen Körperpflege- und Kosmetikformulierungen enthalten. Bei der Schaumreinigung sind sie der zentrale Bestandteil, etwa bei der maschinellen Autowäsche oder in Teppichschäumen.
• Brandbekämpfung: Bei Löschschäumen werden mehrere Effekte genutzt, je nach Brandklasse und Einsatzgebiet mit unterschiedlicher Gewichtung und verschiedener Beschaffenheit des Schaums. Zunächst hat Schaum einen Abkühleffekt, indem das enthaltene Wasser dem Brandgut beim Verdampfen Energie entzieht. Des Weiteren bildet er eine Barriere zwischen dem Brennstoff und der Luft, was insbesondere bei Flüssigkeitsbränden genutzt wird. Mit besonders voluminösen Schäumen werden Hohlräume geflutet, um den Sauerstoff zu verdrängen. Schließlich wirkt Schaum isolierend und schützt vor Strahlungshitze.
• Lebensmittelindustrie: Schaum ist in vielen Lebensmitteln wesentlich für das Genussempfinden verantwortlich, wobei Struktur und Flüssigkeitsgehalt eine große Rolle spielen. Im Wesentlichen sind natürliche Schaumbildner, in der Regel Proteine, als grenzflächenaktive Substanzen für die Schaumbildung verantwortlich. Diese sind oft natürlich enthalten, etwa bei Bier oder Sekt, sind jedoch häufig auch Bestandteil der Rezeptur von industriellen Lebensmittelprodukten.
• Schaumflotation: Dieses Trennverfahren wird zum Beispiel zur Reinigung des Zellstoffs (Deinking) beim Papierrecycling oder bei der Erzaufbereitung verwendet. Durch eine wässrige Aufschlämmung wird Luft geblasen. Die hydrophoben bzw. durch spezielle Substanzen (Sammler) hydrophobierten Partikel haften an den Gasblasen an und steigen mit diesen zusammen an die Oberfläche, während hydrophile Partikel in der Suspension verbleiben. Durch den enthaltenen Schaumbildner entsteht an der Oberfläche ein Schaumteppich, der regelmäßig abgeschöpft wird.
• Erdölförderung: Bei Methoden der Enhanced Oil Recovery (EOR) werden häufig Schaumbildner eingesetzt, insbesondere beim Gasfluten. Dabei wird Schaum in die Lagerstätte gepumpt oder dort gebildet, um den Gasfluss zu kanalisieren.

Worauf beruht die Wirkung von schaumbildenden Tensiden?

In reinem Wasser sind Luftblasen instabil, weil Wasser eine hohe Oberflächenspannung (OFS) besitzt und bestrebt ist, die Luft-Wasser-Grenzfläche zu minimieren. Tenside setzen die OFS herab und reduzieren dadurch die Energie, die für die Erzeugung vieler Bläschen erforderlich ist. Sie begünstigen daher die Schaumbildung, wobei der Grad der OFS-Reduktion auch die Blasengröße beeinflusst.

▶ Lesen Sie mehr zur Struktur und Funktion von Tensiden im Glossarartikel Tensid.

Der noch wichtigere Mechanismus besteht darin, dass Tensidmoleküle an der Luft-Wasser-Grenzfläche adsorbieren und in den Lamellen eines Schaums stabilisierende Tensid-Doppelschichten am Luft-Wasser-Luft-Übergang bilden. Deren Lebensdauer kann sehr unterschiedlich sein; Schaumbildner zeichnen sich in der Regel durch Bildung relativ stabiler Lamellen und langsam zerfallender Schäume aus.

Auf Schaumbildung ausgelegte Formulierungen enthalten häufig zusätzlich Schaumstabilisatoren, bei denen es sich oft ebenfalls um Tenside handelt.

Wie wird die Wirkung von Schaumbildnern gemessen?

Je nach Anwendungsbereich sind verschiedene Eigenschaften der entstehenden Schäume relevant. Für die jeweiligen Fragestellungen kommen verschiedene, einander ergänzende Methoden in Frage.

Schaumvolumen und Schaumkapazität

Eines der wichtigsten Kriterien ist die Menge des aus einer gegebenen Flüssigkeitsmenge erzeugten Schaums. Dabei besteht das Optimum nicht immer in einer möglichst großen Schaummenge – zum Beispiel werden in Zahnpasten schäumende Tenside verwendet, ein zu großes Schaumvolumen würde jedoch als unangenehm empfunden werden. 

Schaumanalysen erfolgen bei KRÜSS Instrumenten in der Regel durch reproduzierbares Ausprudeln im Gasfluss oder durch Rühren mit anschließender optischer Schaumhöhenerkennung. Eine der resultierenden Kennzahlen der Höhenmessung heißt Schaumkapazität – die erzeugte Schaummenge bezogen auf das ursprüngliche Flüssigkeitsvolumen. Die Messungen liefern Anhaltspunkte für den gezielten Einsatz von Schaumbildnern in einer Rezeptur.

Automatische, optische Schaumhöhenmessungen können auch gemäß ASTM D 1173 (Ross-Miles) durchgeführt werden, wobei ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen sich aus einem Reservoir aus definierter Höhe in eine vorgelegte Flüssigkeitsmenge ergießt.

Schaumbildungsgeschwindigkeit

Ein zentrales Schlagwort bei der Beurteilung von Schaumbildnern heißt Flash Foam. Diese Bewertungskriterium sagt aus, wie schnell eine große Menge Schaum erzeugt werden kann, was zum Beispiel bei Löschschaum wichtig ist. KRÜSS nutzt hierfür die eigens entwickelte Foam Flash Methode, die mit kurzen Rührzyklen arbeitet und durch den schrittweisen Anstieg der Schaummenge eine gute Differenzierung zwischen verschiedenen stark schäumenden Proben ermöglicht.

Schaumstabilität

Auch bei der Stabilität des Schaums besteht ein breites Anforderungsspektrum. Während Speiseschaum sich zeitlich nicht verändern soll, müssen Löschschäume nach einer gewissen Zeit zerfallen, weil an der Brandstelle verbleibender Schaum schwierig zu beseitigen wäre. Schaumhöhenanalysen können mit einer flexiblen Zeitsteuerung die Zerfallskurven kurzlebiger bis sehr stabiler Schäume aufnehmen und Parameter wie die Zerfallshalbwertzeit liefern. Die nachfolgend genannten Kriterien Flüssigkeitsgehalt und Schaumstruktur sind für die Stabilitätsbewertung langlebiger Schäume ebenfalls relevant, weil strukturelle Änderungen und Drainage des Schaums beobachtet werden können, lange bevor das Schaumvolumen messbar zurückgeht.

Flüssigkeitsgehalt und Drainage

Bei der Schaumhöhenmessung wird auch die Höhe der Flüssigkeitsgrenze unterhalb des Schaums erfasst, sodass die im Schaum gebundene Flüssigkeitsmenge bestimmt werden kann – auch im zeitlichen Verlauf, um das Drainageverhalten zu charakterisieren. Bei vielen Produkten, z. B. für die Körperpflege, hängt die Feuchtigkeit des Schaums eng mit dem sensorischen Empfinden zusammen – sowie auch mit dem Mouthfeel bei Lebensmitteln. Bei der Brandbekämpfung hängt die Klassifizierung in Leichtschaum, Mittelschaum und Schwerschaum unmittelbar mit dem Wassergehalt zusammen, der über die Wurfweite und die Löschwirkung entscheidet. 

Schaumstruktur

Wie die Feuchtigkeit hängt auch die gewünschte Blasengröße erzeugter Schäume von der Anwendung und den Produktanforderungen ab. Die von KRÜSS entwickelte Schaumstrukturanalyse erfasst die mittlere Blasengröße eines Schaums und die statistische Blasengrößenverteilung – sowohl als Momentaufnahme zum Abschluss der Schaumbildung als auch zur zeitlichen Aufzeichnung des strukturellen Zerfalls.

▶ Lesen Sie dazu auch unsere Applikationsberichte AR279 über Zahnpastaschaum und AR302 über das Schäumungsverhalten pflanzlicher Milchsorten.

Messungen bei hohen Drücken und Temperaturen für EOR

Bei schaumgestützten Flutungsverfahren der tertiären Erdölförderung (EOR) ist der Schaum den Druck- und Temperaturbedingungen der Lagerstätte ausgesetzt und verhält sich anderes als unter Raumbedingungen. Mit HP/HT-Analysen der Schäumbarkeit sowie der Struktur und Stabilität des Schaums lassen sich die Verhältnisse in der Lagerstätte simulieren, um Schaumbildner optimal einsetzen zu können.