Elektrokinetik konzentrierter kolloidaler Suspensionen

In dieser Arbeit wurden wässrige Suspensionen ladungsstabilisierter kolloidaler Partikel bezüglich ihres Verhaltens unter dem Einfluss elektrischer Felder untersucht. Insbesondere wurde die elektrophoretische Mobilität µ über einen weiten Partikelkonzentrationsbereich studiert, um das individuelle Verhalten einzelner Partikel mit dem bisher nur wenig untersuchten kollektiven Verhalten von Partikelensembles (speziell von fluid oder kristallin geordneten Ensembles) zu vergleichen. Dazu wurde ein superheterodynes Dopplervelocimetrisches Lichtstreuexperiment mit integraler und lokaler Datenerfassung konzipiert, das es erlaubt, die Geschwindigkeit der Partikel in elektrischen Feldern zu studieren. Das Experiment wurde zunächst erfolgreich im Bereich nicht-ordnender und fluid geordneter Suspensionen getestet. Danach konnte mit diesem Gerät erstmals das elektrophoretische Verhalten von kristallin geordneten Suspensionen untersucht werden. Es wurde ein komplexes Fließverhalten beobachtet und ausführlich dokumentiert. Dabei wurden bisher in diesem Zusammenhang noch nicht beobachtete Effekte wie Blockfluss, Scherbandbildung, Scherschmelzen oder elastische Resonanzen gefunden. Andererseits machte dieses Verhalten die Entwicklung einer neuen Auswertungsroutine für µ im kristallinen Zustand notwendig, wozu die heterodyne Lichtstreutheorie auf den superheterodynen Fall mit Verscherung erweitert werden musste. Dies wurde zunächst für nicht geordnete Systeme durchgeführt. Diese genäherte Beschreibung genügte, um unter den gegebenen Versuchbedingungen auch das Lichtstreuverhalten gescherter kristalliner Systeme zu interpretieren. Damit konnte als weiteres wichtiges Resultat eine generelle Mobilitäts-Konzentrations-Kurve erhalten werden. Diese zeigt bei geringen Partikelkonzentrationen den bereits bekannten Anstieg und bei mittleren Konzentrationen ein Plateau. Bei hohen Konzentrationen sinkt die Mobilität wieder ab. Zur Interpretation dieses Verhaltens bzgl. Partikelladung stehen derzeit nur Theorien für nicht wechselwirkende Partikel zur Verfügung. Wendet man diese an, so findet man eine überraschend gute Übereinstimmung der elektrophoretisch bestimmten Partikelladung Z*µ mit numerisch bestimmten effektiven Partikelladungen Z*PBC.The fundamental understanding of the properties of colloidal particles is an important condition for the aimed usage of such materials in manifold applications. In this thesis charged particles suspended in deionised water were investigated concerning their behaviour in external electrical fields. In particular the electrophoretic mobility µ was studied over a wide range of particle concentration for comparing the individual behaviour of single particles with the so far only less investigated collective behaviour of particle ensembles (specifically of fluid and crystalline ordered ensembles). To that end a superheterodyne Doppler-velocimetrical light scattering experiment with integral and local data acquisition was designed and realised, which allows to study the velocity of colloidal particles in electrical fields with high precision and free of low frequency disturbance effects. The experiment was successfully tested in comparison to the conventional heterodyne method in the range of non- and fluid- ordered suspensions. Then for the first time the flow behaviour of crystalline ordered suspensions could be investigated. A complex flow behaviour was observed and explicitly documented. A variety of novel effects like plug flow, channel narrowing, shear melting or elastic resonances were found. On the other hand the development of a new evaluation method for µ became necessary because of this behaviour. The heterodyne light scattering theory was extended to the superheterodyne case. This was first done for non-ordered systems. Interestingly enough this approximation suffices to interpret the light scattering behaviour of sheared crystalline systems. With that, as further important result a general mobility-concentration-curve could be obtained. It shows at low particle concentrations an increase which is known from former thesis and at middle concentrations it shows a plateau. At high concentrations the mobility decreases again. At present, only theories for non interacting particles are available for the interpretation of this behaviour. If these are applied, a surprisingly good conformance of the electrophoretic determined particle charge Z*µ with the numerically determined effective particle charge Z*PBC is found