Обзор литературы
Общие сведения об эмульсиях
Эмульсия - дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде). Эмульсии могут быть образованы двумя любыми несмешивающимися жидкостями; в большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода, а другой — вещество, состоящее из слабополярных молекул (например, жидкие углеводороды, жиры) [8, 9]. Существует 2 типа эмульсий: прямая и обратная. Так же называемые эмульсии 1-го и 2-го типа. Эмульсией 1-ого типа - масло в воде (М/В), а эмульсия 2-ого типа - вода в масле (В/М).
Методов приготовления эмульсий существует достаточно много:
Конденсационный метод
Метод прерывистого встряхивания
Дисперсионный метод
Смешивание
Коллоидные мельницы
Гомогенизаторы и т.д.
Эмульсии - термодинамически нестабильные системы, обладающие значительной свободой энергией. Исключение составляют самоэмульгирующиеся системы с низким межфазным натяжением. Поэтому основными при исследовании эмульсий являются вопросы изучения их устойчивости [9, 10].
Выделяют три вида устойчивости:
Седиментационная (кинетическая).
Коагуляционная (агрегативная).
По отношению к коалесценции.
Тип образующейся эмульсии зависит от соотношения объемов водной и масляной фазы, условий эмульгирования и других факторов, но главную роль играет природа эмульгатора - третьего компонента эмульсии, придающего им агрегативную устойчивость.
Тип эмульсии, образующейся при механическом диспергировании, в значительной мере зависит от соотношения объема фаз. Жидкость, содержащаяся в большем объеме, обычно становится дисперсионной средой. При равном объемном содержании двух жидкостей при диспергировании возникают эмульсии обоих типов, но «выживает» из них та, которая имеет более высокую агрегативную устойчивость и определяется природой эмульгатора. Способность эмульгатора обеспечивать устойчивость эмульсии того или иного типа определяется энергетикой взаимодействия его с полярной и неполярной средами, которая может быть охарактеризована при помощи полуэмпирической характеристики - числа гидрофильно-лиофильного баланса (ЛГБ) поверхностно-активного вещества.
В настоящее время существует две количественных характеристики эмульсии, полученной с помощью определенного раствора ПАВ: максимальный объем эмульсии и максимальная поверхность эмульсии. Однако максимальный объем недостаточно объективная характеристика, так как зависит от метода получения эмульсии. При более интенсивном перемешивании фаз капли получаются меньшего размера и при одном и том же количестве ПАВ максимальный объем будет меньше, чем при слабом перемешивании [11].
Эмульсия «масло в воде»
Рисунок 2. Схемы эмульсий первого и второго типа [11].
Было установлено, что при равных объемных концентрациях фаз могут существовать эмульсии первого и второго типа, причет эти эмульсии резко отличаются по свойствам. Для приготовления устойчивых концентрированных эмульсий типа масло в воде, кроме двух несмешивающихся жидкостей, необходимо также присутствие третьего - вещества-эмульгатора. Часто, в качестве эмульгаторов применяются гидрофильные коллоиды. Они «облегчают» эмульгирование масел и жиров в воде. Вид получаемой эмульсии зависит от природы эмульгатора. На устойчивость эмульсии, являющуюся критерием эффективности эмульгатора, решающее влияние оказывают так же время, протекшее после приготовления эмульсии, температура, значение рН, наличие или отсутствие воздуха при эмульгировании и другие факторы.
Существуют низкомолекулярные эмульгаторы (НМЭ), и высокомолекулярные (ВМЭ). Эмульгаторы используют для повышения устойчивости эмульсии. А устойчивость - важнейшее свойство эмульсии. Она обуславливается тремя факторами:
Геометрическими - минимальные отрезки молекул эмульгатора в фазах и определенное соотношение размеров полярной и неполярной групп
Энергетическим - минимальная прочность удержания ПАВ в адсорбционном слое.
Концентрационными - наличие насыщенного адсорбционного слоя, предельная адсорбция.
Часто считают фактором устойчивости эмульсии двойной электрический слой. Однако с этим согласиться нельзя, так как нет даже качественной корреляции между существованием двойного электрического слоя и свойствами эмульсий [12, 13].
В настоящее время используется несколько методов определения типа эмульсии [14]:
Метод разбавления фаз. Небольшую порцию эмульсии смешивают с водой. Если эмульсия равномерно распределяется по всему объему воды, то, следовательно, вода – дисперсионная среда и данная эмульсия является прямой (М/В). Если же испытуемая эмульсия с водой не смешивается, а смешивается с маслом, то это – обратная эмульсия (В/М).
По растворимости красителя. Небольшой объем эмульсии смешивают с красителем, растворимым только в одной из жидкостей, например, с красителем судан III, растворимым только в углеводородах. После этого эмульсию рассматривают в микроскоп. Если на неокрашенном фоне наблюдаются окрашенные капельки, то данная эмульсия – первого рода (М/В). Если, напротив, фон окажется окрашенным, а капельки – нет, то данная эмульсия имеет тип В/М.
По смачиванию поверхности. Эмульсии первого рода смачивают гидрофильные поверхности – капля эмульсии растекается по поверхности стекла и не растекается по поверхности парафина; эмульсии второго рода смачивают гидрофобные поверхности – капля эмульсии растекается по поверхности парафина и не растекается по поверхности стекла.
Метод флуоресценции. Эмульсии типа В/М под действием ультрафиолетового излучения могут приобретать видимую в темной камере окраску. Эмульсии типа М/В обычно не флуоресцируют. Применимость метода ограничена низкими и средними концентрациями дисперсной фазы.
Кондуктометрический метод. Электропроводность прямой эмульсии близка к электропроводности воды. Для обратных эмульсий ее значения на несколько порядков ниже (обычно не менее чем в 104 раз). Метод не всегда применим к концентрированным эмульсиям.
Смачивание фильтровальной бумаги. Если при нанесении капли эмульсии на фильтр жидкость быстро распространяется по поверхности, оставляя в центре небольшую каплю, то в большинстве случаев это означает, что дисперсионной средой является вода.