Mizellen sind kugelförmige Molekülstrukturen, die meist aus amphiphilen Molekülen mit Blockstruktur bestehen, die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Teile enthalten. Die hydrophoben Schwänze dieser Moleküle gruppieren sich zu einem Kern, während die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen und eine schützende Hülle bilden. Diese Struktur ermöglicht es Mizellen, hydrophobe Substanzen in ihrem Kern einzukapseln und sie in einer wasserbasierten Umgebung zu verteilen.
Ein Beispiel für die Wirkung von Mizellen ist Seife, die Schmutz und Öl einfängt und sich so leicht mit Wasser abspülen lässt. Mizellen können mithilfe von Blockcopolymeren erzeugt werden, die unterschiedliche hydrophile und hydrophobe Segmente aufweisen, oder mithilfe von Zufallscopolymeren mit einer gemischten Verteilung hydrophiler und hydrophober Segmente. Ersteres wird in der Pharmaindustrie eingesetzt und bietet eine präzise Kontrolle über die Eigenschaften der Mizellen, ist jedoch komplexer und teurer in der Herstellung, während Letzteres in der Farbstoffindustrie einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.
Forscher unter der Leitung von Herrn Masahiko Asada und Professor Hidenori Otsuka von der Tokyo University of Science (TUS) und der DIC Corporation untersuchen, wie Mizellen Farbstoffe wirksamer auflösen können. In einer Studie auf dem Cover der Zeitschrift abgebildet Weiche MaterieSie verglichen die Leistung von Blockcopolymeren und Zufallscopolymeren, um die optimalste Mizelle für die Farbstoffdispersion zu ermitteln.
„Es besteht ein Kompromiss zwischen der Verwendung von Zufallscopolymeren als Dispergiermittel für die Tintenherstellung und ihrer unzureichenden Dispersionsleistung. Wir haben Blockcopolymer-Mizellen untersucht und ihre Dispersionsleistung mit denen von Zufallscopolymeren verglichen, um die Mizellenstruktur zu bestimmen, die für eine angemessene Farbstofflösung erforderlich ist“, sagt Prof. Otsuka, der Hauptautor der Studie.
Die Forscher synthetisierten verschiedene Blockcopolymere (BL01 bis BL05) unter Verwendung unterschiedlicher Verhältnisse von Styrol (St), n-Butylmethacrylat (BMA) und Methacrylsäure (MA) als Monomere. Sie verglichen die Leistung dieser Blockcopolymere mit Zufallscopolymeren (RD01, RD02, RD03 und RD04), die aus Styrol und entweder Methacrylsäure oder Acrylsäure hergestellt wurden. Die Copolymere und Zufallscopolymere wurden in einer Konzentration von 0,5 % in Wasser dispergiert, und die Mizellenstrukturen wurden mittels Röntgenkleinwinkelstreuungsanalyse (SAXS) untersucht.
Die SAXS-Ergebnisse zeigten, dass aus Blockcopolymeren gebildete Mizellen eine wohldefinierte sphärische Struktur mit einer klaren Kern-Schale-Grenze aufwiesen. Es wurde festgestellt, dass Mizellen aus Zufallscopolymeren eine diffusere und kontinuierlichere Struktur aufweisen, die einem Zufallsknäuelmuster ohne ausgeprägte Kern-Schale-Grenze ähnelt. Das Fehlen einer klaren Kern-Schale-Struktur in den aus statistischen Copolymeren gebildeten Mizellen verringerte ihre Fähigkeit, hydrophobe Farbstoffe zu halten.
In Tests zur kritischen Mizellenkonzentration (CMC) maßen die Forscher die Konzentration, bei der sich Mizellen bilden, indem sie Änderungen in der Polarität um eine fluoreszierende Pyrensonde erfassten. Die Ergebnisse zeigten, dass Blockcopolymer-Micellen eine viel geringere Polarität aufwiesen, was bedeutete, dass die Pyrenmoleküle im hydrophoben Kern dieser Mizellen besser geschützt waren.
Ähnliche Beobachtungen machten die Forscher bei der Messung des Ausmaßes der Solubilisierung des hydrophoben Orangenöl-SS-Farbstoffs in den Mizellen. Es wurde festgestellt, dass die aus Zufallscopolymeren hergestellten Mizellen den Farbstoff leicht eindringen ließen. BL01, BL03 und BL05 verhinderten jedoch, dass der Farbstoff in den Kern eindrang, was zu einer längeren Zeit bis zur Sättigung führte (2 Tage im Vergleich zu 10 Stunden bei den Zufallscopolymeren).
Es wurde festgestellt, dass Mizellen (BL01, 03 und 05) mit größeren Kernvolumina und mehr Polymermolekülen (höhere Aggregationszahlen) mehr Farbstoff (0,2 bis 2 Farbstoffmoleküle pro Mizelle) halten oder lösen als die kleineren Mizellen (BL02, BL04).
Während die größeren Mizellen mit klar definierten Kern-Schale-Strukturen länger brauchten, um mit Farbstoff gesättigt zu werden, konnten sie eine deutlich höhere Menge an Farbstoff aufnehmen. Die Mizelle mit der höchsten Farbstofflöslichkeit war BL02. Seine Hülle enthielt eine zufällige Mischung aus Methacrylsäure (MA) und Butylmethacrylat (BMA), was zu einer hochgradig polydispersen oder vielfältigen Grenzfläche zwischen den Kern-Hülle- und Hülle-Lösungsmittel-Grenzen führte, die es dem Farbstoff ermöglichte, schnell einzudringen und daraus auszutreiben .
Prof. Otsuka erklärt: „Die Blockcopolymer-Mizellen zeigten eine höhere Kapazität zur Farbstofflösung, die mit ihrem Kernvolumen, dem klaren Kern-Schale-Kontrast und der langsamen Lösungsgeschwindigkeit korrelierte.“
Diese Erkenntnis könnte zu effizienteren und kostengünstigeren Mizellen für die Tinten- und Farbstoffindustrie sowie für die Pharmaindustrie führen.
Weitere Informationen:
Masahiko Asada et al., Untersuchung der Wirkung der Mizellenstrukturen von Block- und Zufallscopolymeren auf die Farbstoffsolubilisierung, Weiche Materie (2024). DOI: 10.1039/D4SM00009A