Макроэмульсия - Macroemulsion

Макроэмульсии представляют собой однородные прозрачные термодинамически нестабильные системы с размером частиц от 5 до 140 нм, которые образуются самопроизвольно при смешивании в правильном соотношении. Макроэмульсии эффективно рассеивают свет и поэтому выглядят молочно-белыми, потому что их капли превышают длину волны света.^[1] Они являются частью большой семьи эмульсии вместе с микроэмульсии. Как и все эмульсии, одна фаза служит диспергирующим агентом. Ее часто называют непрерывной или внешней фазой. Оставшаяся фаза (ы) является дисперсной или внутренней фазой (ами), потому что капли жидкости тонко распределены среди более крупных капель непрерывной фазы.^[2] Этот тип эмульсия термодинамически нестабилен, но может быть стабилизирован в течение определенного периода времени с применением кинетическая энергия.^[1] Поверхностно-активные вещества (эмульгаторы ) используются для уменьшения межфазное натяжение между двумя слоями и вызывает стабильность макроэмульсии в течение полезного промежутка времени.

ИЮПАК определение

Эмульсия, в которой частицы дисперсная фаза иметь диаметр примерно от 1 до 100 мкм.

Примечание 1: Макроэмульсии содержат крупные капли и, таким образом, являются «нестабильными» в том смысле, что капли оседают или плавают, в зависимости от плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды. Разделение диспергированных и непрерывные фазы обычно происходит в течение периодов времени от нескольких секунд до нескольких часов, в зависимости от вязкости текучей среды, а также размера и плотности капель.

Заметка 2: Макроэмульсии обычно содержат низкомолекулярные или полимерные поверхностно-активные вещества, которые снижают скорость коалесценции диспергированных капель. Капли дисперсной фазы также могут быть стабилизированы адсорбцией твердых частиц на их поверхность (так называемая стабилизация Пикеринга).^[3]

Классификация

Макроэмульсии можно разделить на две основные категории в зависимости от того, являются ли они эмульсия или двойной или кратный эмульсия группа. Обе категории будут описаны с использованием типичного масла (O) и воды (W). несмешиваемый жидкое сопряжение. не замужем эмульсии можно подразделить на два разных типа. Для каждого сингла эмульсия один поверхностно-активное вещество стабилизирующий слой существует как буфер между двумя слоями. В (O / W) капли масла диспергированы в воде. С другой стороны, (W / O) включает капли воды, тонко диспергированные в масле. Двойной или множественный эмульсия классификация аналогична классификации одиночной эмульсии, за исключением несмешиваемый фазы разделены по крайней мере двумя тонкими пленками поверхностно-активного вещества. В комбинации (W / O / W) несмешиваемый масляная фаза существует между двумя отдельными водными фазами. Напротив, в комбинации (O / W / O) несмешиваемый водная фаза разделяет две разные масляные фазы.^[1]

Изображение A представляет собой эмульсию (масло в воде). Изображение B представляет собой эмульсию (вода в масле). Изображение C представляет собой группу эмульсий W / O / W. Изображение D представляет собой многоэмульсионную группу (М / В / М).

Формирование

Макроэмульсии образуются разными способами. Поскольку они не термодинамически стабильны, они не образуются самопроизвольно и требуют подвода энергии, обычно в виде перемешивания или встряхивания какого-либо вида для механического перемешивания несмешиваемый Фазы. Результирующий размер макроэмульсий обычно зависит от того, сколько энергии было использовано для смешивания фаз, при этом методы смешивания с более высокой энергией приводят к меньшим частицам эмульсии. Требуемая для этого энергия может быть приблизительно рассчитана с помощью следующего уравнения:

${\displaystyle \Delta G_{\rm {em}}=3{\gamma V \over \ R_{\rm {f}}}}$ ^[4]

куда ${\displaystyle \Delta G_{\rm {em}}}$ это потребляемая энергия, ${\displaystyle \gamma }$ это межфазное натяжение между двумя фазами, ${\displaystyle V}$ - общий объем смеси, а ${\displaystyle R_{\rm {f}}}$ - средний радиус вновь созданных эмульсий

Это уравнение дает потребность в энергии только для разделения частиц. На практике стоимость энергии намного выше, поскольку большая часть механической энергии просто преобразуется в высокая температура вместо смешивания фаз.

Есть и другие способы создания эмульсий между двумя жидкостями, например добавление одной фазы с каплями, уже имеющими необходимый размер.

An эмульгирующий агент тоже обычно требуется. Это помогает формировать эмульсии за счет уменьшения межфазное натяжение между двумя фазами, обычно действуя как поверхностно-активное вещество и адсорбирующий к интерфейсу. Это работает, потому что большинство эмульгаторов имеют гидрофильный и гидрофобный стороны, что означает, что они могут связываться как с маслоподобной фазой, так и с водоподобной фазой, тем самым уменьшая количество молекулярных взаимодействий вода-масло на поверхности. Уменьшение количества этих взаимодействий снижает межфазную энергию, что приводит к тому, что эмульсии становятся более стабильными. Обычно концентрация поверхностно-активное вещество необходимо часто на уровне или чуть выше критическая концентрация мицелл (CMC).^[2] Это формирует поверхностно-активное вещество монослой, который ориентируется для минимизации отношения поверхности к объему. При таком соотношении образуются высокополидисперсные сферические капли размером от 0,1 до 10 мкм.^[2] Вероятность (P) обнаружения капли определенного размера для капель внутреннего слоя можно оценить с помощью следующего уравнения:

${\displaystyle \ P={{\ 1 \over \Delta R{\sqrt {2\pi \,}}\ }\exp[{\ (\ln {R}\ -\ln {\bar {R}}\ )^{2} \over \ 2\Delta R^{2}\ \ }\ }]}$

где R - радиус капли, ${\displaystyle {\bar {R}}\ }$ - средний радиус, а ${\displaystyle \Delta R\ }$ стандартное отклонение.

Определение того, какая фаза является непрерывной, а какая дисперсной, выполняется с помощью Правило Банкрофта когда две фазы имеют одинаковые мольные доли. Это правило гласит, что фаза, в которой эмульгатор является наиболее растворимый в будет непрерывная фаза, даже если у него меньше объемная доля в общем и целом. Например, смесь, состоящая из 60% воды и 40% масла, может образовывать эмульсию, в которой вода является дисперсной фазой, а масло является непрерывной фазой, если эмульгатор более растворим в масле. Это связано с тем, что непрерывная фаза - это фаза, которая может объединяться быстрее всего при смешивании, что означает, что это фаза, которая может размытый эмульгатор от его собственных интерфейсов и в масса быстрейший. Это правило не является точным на 100%, но это хорошее практическое правило для смесей с аналогичным составом. Для смесей, содержащих чрезвычайно большое количество одной фазы, самая большая фаза станет непрерывной фазой.

Стабильность

Макроэмульсии по определению не являются термодинамически стабильными. Это означает, что с момента создания они всегда возвращаются в свое исходное, несмешиваемое и отдельное состояние. Однако причина, по которой макроэмульсии могут существовать, заключается в том, что они кинетически стабильны, а не термодинамически. Это означает, что, хотя они постоянно разрушаются, это происходит с такой медленной скоростью, что практически стабильно с макроскопической точки зрения.

Причины, по которым макроэмульсии стабильны, аналогичны причинам, по которым коллоиды может быть стабильным. На основе Теория DLVO силы отталкивания от заряженных поверхностей двух фаз достаточно отталкиваются, чтобы компенсировать силы притяжения Силовые взаимодействия Хамакера. Это создает потенциальная энергетическая скважина на некотором расстоянии, где частицы находятся в локальной области стабильности, несмотря на то, что они не соприкасаются напрямую и, следовательно, сливаются. Однако, поскольку это область локального, а не общего низкого потенциала, если любой набор частиц может случайным образом иметь достаточно термальная энергия они могут сливаться в еще более стабильное состояние, поэтому со временем все макроэмульсии постепенно сливаются.

Хотя слияние отдельных частиц является энергетически выгодным из-за последующего уменьшения межфазной поверхности, адсорбированный эмульгатор предотвращает это. Это связано с тем, что эмульгирующему агенту более предпочтительно находиться на границе раздела, поэтому уменьшение площади поверхности раздела требует затрат энергии для возврата эмульгатора в массу.

Стабильность макроэмульсий зависит от множества факторов окружающей среды, включая: температура, pH, а ионная сила из растворитель.

Развитие макроэмульсий

Флокуляция - это скопление капель в непрерывной жидкой фазе.

Сливки - это скопление капель в верхней части жидкой непрерывной фазы.

Коалесценция - это слияние двух капель в одну.

Деэмульгирование - это когда дисперсная фаза полностью сливается в одну непрерывную фазу.

Флокуляция

Флокуляция происходит, когда диспергированные капли группируются вместе на протяжении непрерывной фазы, но не теряют своей индивидуальности. Движущей силой флокуляции является слабая ван дер Ваальс притяжение между каплями на больших расстояниях, известное как минимум вторичной энергии.^[2] Электростатическое отталкивание между поверхностями предотвращает соприкосновение и слияние капель, стабилизируя макроэмульсию. Скорость столкновений с ограничением диффузии равна верхнему пределу уменьшения концентрации капель и может быть представлена ​​следующим уравнением:

${\displaystyle {\frac {dc}{dt}}=-8\pi \,DRc^{2}}$ ^[2]

где D можно найти с помощью Соотношение Стокса-Эйнштейна ${\displaystyle D={\frac {k_{B}T}{6\pi \,\eta \,R}}}$, R - радиус капли, c - количество капель в единице объема. Это уравнение можно свести к следующему:

${\displaystyle {\frac {dc}{dt}}=-k_{f}c^{2}}$ ^[2]

где ${\displaystyle k_{f}}$ - константа скорости флокуляции ${\displaystyle (k_{f}={\frac {4k_{B}T}{3\eta \,}})}$. Если радиусы капель неодинаковы и происходит агрегация, константа скорости флокуляции равна ${\displaystyle {\frac {8k_{B}T}{3\eta \,}}}$.

Сливки

Сливки - это скопление капель в дисперсной фазе наверху емкости.^[2] Это происходит в результате силы плавучести. Плотность дисперсной и непрерывной фаз, а также вязкость непрерывной фазы сильно влияют на процесс вспенивания. Если жидкость в дисперсной фазе менее плотная, чем жидкость в непрерывной фазе, более вероятно возникновение вспенивания. Кроме того, существует большая вероятность вспенивания при более низкой вязкости жидкости непрерывной фазы. Когда все диспергированные капли окажутся в непосредственной близости друг от друга, им будет легче объединиться.

Коалесценция

Коалесценция - это слияние двух диспергированных капель в одну. Чтобы произошло слияние, поверхности двух капель должны соприкасаться. Этот поверхностный контакт зависит как от ван дер Ваальс силы притяжения и поверхностного отталкивания между двумя каплями.^[2] При контакте две поверхностные пленки могут сливаться вместе, что более вероятно в областях, где поверхностная пленка является слабой. Жидкость внутри каждой капли теперь находится в прямом контакте, и две капли могут сливаться в одну.

Деэмульгирование

Деэмульсификация - это акт дестабилизации эмульсия. После того, как все капли слились воедино, вместо одной дисперсной фазы и одной непрерывной фазы существуют две непрерывные фазы. Этот процесс можно ускорить, добавляя дополнительное поверхностно-активное вещество или соль, или медленно перемешивая жидкий раствор.^[2] Деэмульгирование полезно для нескольких применений макроэмульсий.

Приложения

Макроэмульсии имеют почти бесконечное применение в научных, промышленных и бытовых приложениях. Сегодня они широко используются в автомобилях, косметических средствах, средствах для чистки и ухода за тканями, а также в биотехнологиях и производственных технологиях.^[5]

Макроэмульсии часто выбирают вместо микроэмульсии для автомобильного и промышленного применения, поскольку они менее дороги, их легче утилизировать, а их склонность к более быстрому деэмульгированию часто является желательной для смазочных материалов. Растворимые масляные смазки, обычно содержащие жирное масло или минеральное масло в воде, идеально подходят для работы на высоких скоростях и при низком давлении. Их часто используют для уменьшения трения и металлообработки.^[6]

Многие средства по уходу за кожей, солнцезащитные кремы и смягчители ткани изготавливаются из силиконовых макроэмульсий. Силикон выбран из-за его нераздражающих и смазывающих свойств. Различные комбинации макроэмульсий и поверхностно-активных веществ являются предметом широкого спектра биологических исследований, особенно в области культур клеток.^[7][8][9]

В следующей таблице приведены несколько примеров макроэмульсий и их применения:

Макроэмульсия	Непрерывная фаза	Дисперсная фаза	заявка	Поверхностно-активное вещество
Дизельное топливо и вода	Дизель	вода	Снижение выбросов топлива[6]	Неионные поверхностно-активные вещества на основе алифатических углеводородных хвостов (примеры: этоксилаты спиртов, этоксилаты жирных кислот, сахарные эфиры жирных кислот)[10]
Силикон и вода	вода	Силиконовый	Кондиционер для белья,[5] Косметика[11]	Неионные поверхностно-активные вещества (пример: силиконовый сополиол)[11]
Спирт и вода	вода	Алкоголь	Очистка загрязненных грунтовых вод[9]	Агенты пищевого или фармацевтического качества, аналогичные тем, которые используются во взбитых топпингах и шампунях (примеры: Polysorbate-20, Tween или Span)[9]
Изооктан и вода	Изооктан	вода	Жилье клеточных культур[8]	Обладают бактерицидными или бактериостатическими свойствами (например, лецитин, фосфолипид, который естественным образом встречается у многих животных)[8]

использованная литература

1. Шах, Динеш О., изд. (1985). «Введение в макро- и микроэмульсии». Макро- и микроэмульсии: теория и приложения: на основе симпозиума, организованного Отделом промышленной и инженерной химии на 186-м заседании Американского химического общества, Вашингтон, округ Колумбия, 28 августа - 2 сентября 1983 г.. Серия симпозиумов ACS. 272. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. С. 1–13. Дои:10.1021 / bk-1985-0272.ch001. ISBN  978-0-8412-0896-4.
2. Батт, Ханс-Юрген; Граф, Карлхайнц; Каппл, Майкл (2006). Физика и химия интерфейсов (2-е, перераб. И англ. Ред.). Weinheim: Wiley-VCH-Verl. С. 108–109, 278–287. ISBN  978-3-527-40629-6.
3. Сломковский, Станислав (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 83 (12): 2229–2259. Дои:10.1351 / PAC-REC-10-06-03.
4. Стоукс, Роберт (1997W). Основы межфазной инженерии. ВЧ. С. 245–247. ISBN  978-0471-18647-2.
5. «Силиконовые макроэмульсии и микроэмульсии». Корпорация Dow Corning. Получено 30 апреля 2012.
6. Тоттен, Джордж Э. (2003). Справочник по топливу и смазочным материалам: технологии, свойства, характеристики и испытания. Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International.
7. Стефан, Алессандра; Херардо Палаццо; Андреа Челье; Элеонора Панзаволта; Алехандро Хохкёпплер (3 декабря 2002 г.). «Макроэмульсии« вода в масле »поддерживают долгосрочную жизнеспособность микробных клеток в органических растворителях». Биотехнологии и биоинженерия. 81 (3): 323–328. Дои:10.1002 / бит.10476. PMID  12474255.
8. Cinelli, Cuomo G .; Cuomo, F .; Hochkoeppler, A .; Ceglie, A .; Лопес, Ф (2006). «Использование живых клеток Rhodotorula minuta, размещенных в макроэмульсии вода-в-масле для реакции биотрасформации». Biotechnol. Прог. 22 (3): 689–695. Дои:10.1021 / bp0504039. PMID  16739950.
9. Технологический институт Джорджии (24 мая 2012 г.). «Уникальная двухкомпонентная макроэмульсия предлагает новый подход к очистке загрязненных водоносных горизонтов». Science Daily.
10. Лиф, Анна; Кристер Холмберг (2006). «Водно-дизельные эмульсии и родственные системы» (PDF). Достижения в области коллоидов и интерфейсной науки: 231–239. Получено 1 июня, 2012.
11. Райн, Линда Д. (2007). ПАВ в средствах личной гигиены и декоративной косметике (3-е изд.). Бока-Ратон, Флорида [u.a.]: CRC Press. п. 156. ISBN  978-1574445312.