Устойчивость и стабилизация эмульсий

По мере диспергации эмульсии суммарная поверхность раздела фаз жидкость - жидкость резко возрастает, что приводит к увеличению поверхностной энергии Гиббса ^SG. Приготовленные без стабилизаторов эмульсии термодинамически и кинетически неустойчивы и быстро коагулируют. Процесс слияния капель дисперсной фазы называют коалесценцией. В отличие от коагуляции, коалесценция необратима.

Коалесценция эмульсий сопровождается непрерывным увеличением диаметра капелек дисперсной фазы, что в итоге приводит к потере системой седиментационной устойчивости и расслаиванию жидкостей. Размеры частиц дисперсной фазы обычно превышают 1 мкм, т.е. в таких эмульсиях не наблюдается броуновского движения, и они изначально седиментационно неустойчивы.

При длительном стоянии подобных (даже термодинамически устойчивых) эмульсий может происходить полное или частичное расслоение фаз. Так, в цельном молоке при его стоянии образуется слой сливок – всплывают наиболее крупные капельки жира. Для предотвращения этого процесса эмульсии (молоко) гомогенизируют – пропускают их через специальные устройства, диспергирующие капли до нужного размера.

Коалесценция лежит в основе деэмульгирования сырых нефтей, рафинирования растительных масел в маслоделии, пеногашения, плёнкообразования при нанесении лакокрасочных покрытий, микрокапсулирования и других процессов. Коалесценция капель воды – одна из причин выпадения атмосферных осадков (дождя, росы) из облаков и тумана.

1. седиментационная устойчивость определяется их дисперсностью, разность плотностей фаз, вязкостью среды.

Высокодисперсные эмульсии более устойчивы

2. Агрегативная устойчивость связана с концентрацией дисперсной фазы, с числом капель и частотой их столкновений. Разбавленные эмульсии могут существовать достаточно долго.

При диспергировании возникают эмульсии обоих типов, но "выживает" из них та, которая имеет более высокую агрегативную устойчивость, определяемую природой эмульгатора. Выбор эмульгатора определяется следующим эмпирическим правилом: эмульсии прямого типа (М/В) стабилизируют растворимыми в воде высокомолекулярными соединениями (например, белками) или водорастворимыми мылами (например, олеаты щелочных металлов). Эмульсии обратного типа (В/М) стабилизируют высокомолекулярными соединениями, растворимыми в углеводородах (например, полиизобутиленом), олеофильными смолами и мылами с поливалентными катионами (олеат кальция). Следовательно, эмульгатор должен иметь большее сродство к той жидкости, которая станет в эмульсии дисперсионной средой.

Эмульгаторы

1. растворимые ПАВ и ВМС

2. порошки гидрофильные или гидрофобные

Механизм стабилизации:

1. гидрофильные эмульгаторы

(ПАВ, порошки, смачиваемые водой: мел, гипс, глины) – стабилизация эмульсий прямого типа

Молекулы и частицы должны располагаться со стороны дисперсионной среды, т.е. на наружной стороне капель

2. гидрофобные (лучше растворимы в масле или порошки, которые смачиваются маслом: графит, угли, сажи, кинифоль) – обратные эмульсии

Эффективной стабилизации способствует определенная дисперсность порошка.

Эффективность любого эмульгатора оценивается по двум показателям:

1) устойчивость эмульсии, стабилизированной данным эмультагатором

2) по максимальному количеству эмульсии, которая м.б. стабилизирована определенной порцией эмульгатора.

Эмульгирующая способность порошков меньше, чем растворимых эмульгаторов и объясняется образованием структурно-механического барьера.

Наибольшее эмульгирующее действие у ПАВ с числом атомов С от 12 до 18 и сильной полярной группой (ионногенной).

Число ГЛБ = 10-18 – прямые эмульсии

Число ГЛБ = 3-8 – обратные эмульсии

ВМС (желатин, сапонин, ПВС) образуют трехмерные сетки

Рис.8.1. Защитные адсорбционные слои при образовании эмульсий: а) - (М/В), стабилизатор C₁₇H₃₅COONa; б) - (В/М), стабилизатор (C₁₇H₃₅COO)₂Mg.

Особый случай представляет стабилизация эмульсий высокодисперсными порошками.