Микроэмульсия - Microemulsion

Микроэмульсии прозрачные, термодинамически стабильные изотропный жидкие смеси масла, воды и поверхностно-активное вещество, часто в сочетании с вспомогательное поверхностно-активное вещество. Водный фаза может содержать соль (s) и / или другие ингредиенты, и «масло» может фактически представлять собой сложную смесь различных углеводороды. В отличие от обычных эмульсии, микроэмульсии образуются при простом смешивании компонентов и не требуют высокой срезать условия, обычно используемые при образовании обычных эмульсий. Три основных типа микроэмульсий: прямые (масло, диспергированное в воде, масло в масле), обратное (вода, диспергированная в масле, масло в масле) и бинепрерывные.

В тройных системах, таких как микроэмульсии, где две несмешивающиеся фазы (вода и «масло») присутствуют с поверхностно-активным веществом, поверхностно-активное вещество молекулы может сформировать монослой на границе между нефтью и водой, с гидрофобный хвосты молекул поверхностно-активного вещества, растворенные в масляной фазе, и гидрофильные головные группы в водной фазе.

ИЮПАК определение
Микроэмульсия: Дисперсия из воды, масла и поверхностно-активного вещества (ов), которая представляет собой изотропную и термодинамически стабильную систему с диаметром диспергированных доменов, варьирующимся приблизительно от 1 до 100 нм, обычно от 10 до 50 нм.

Примечание 1: В микроэмульсии домены дисперсная фаза являются либо шаровидными, либо взаимосвязанными (с образованием бинепрерывной микроэмульсии).

Заметка 2: Средний диаметр капель в макроэмульсии (обычно обозначается как «эмульсия”) Близка к одному миллиметру (т. Е. 10−3 м). Следовательно, поскольку микро- означает 10−6а эмульсия означает, что капли дисперсной фазы имеют диаметр, близкий к 10−3 м под микроэмульсией понимается система с диапазоном размеров дисперсной фазы в 10−6 × 10−3 м = 10−9 м классифицировать.

Заметка 3: Термин «микроэмульсия» приобрел особое значение. Компоненты дисперсной фазы обычно стабилизируются системами поверхностно-активное вещество и / или поверхностно-активное вещество-сопурфактант (например, алифатический спирт).

Примечание 4: Термин «масло» относится к любой нерастворимой в воде жидкости.[1]

Микроэмульсионная полимеризация: Эмульсионная полимеризация в котором стартовой системой является микроэмульсия и конечный латекс включает коллоидные частицы полимера, диспергированные в водной среде.

Примечание: Диаметр полимерных частиц, образующихся при микроэмульсионной полимеризации, обычно составляет от 10 до 50 нм.[2]

Использует

Микроэмульсии имеют много коммерчески важных применений:

Большая часть работы, проделанной с этими системами, была мотивирована их возможным использованием для мобилизации нефти, застрявшей в пористом песчанике, для повышенная нефтеотдача. Основная причина использования этих систем заключается в том, что фаза микроэмульсии иногда имеет сверхнизкое межфазное натяжение с отдельной масляной или водной фазой, которая может высвобождать или мобилизовать их из твердых фаз даже в условиях медленного потока или низких градиентов давления.

Микроэмульсии также находят промышленное применение, одним из которых является синтез полимеры. Микроэмульсия полимеризация представляет собой сложный гетерогенный процесс, при котором происходит перенос мономеров, свободных радикалов и других частиц (таких как агент передачи цепи, вспомогательное поверхностно-активное вещество и ингибиторы) между водной и органической фазами.[4] По сравнению с другими процессами гетерогенной полимеризации (суспензионной или эмульсионной) микроэмульсионная полимеризация представляет собой более сложную систему. Скорость полимеризации контролируется распределением мономера между фазами, зародышеобразованием частиц, а также адсорбцией и десорбцией радикалов. На стабильность частиц влияют количество и тип поверхностно-активного вещества и pH диспергирующей среды.[5]Он также используется в процессе создания наночастиц.

Кинетика полимеризации микроэмульсии имеет много общего с кинетикой эмульсионной полимеризации, наиболее характерной особенностью которой является разделение на компартментализацию, когда радикалы, растущие внутри частиц, отделены друг от друга, что в значительной степени подавляет обрыв и, как следствие, обеспечивающие высокие скорости полимеризации.

Теория

На протяжении многих лет предлагались различные теории, касающиеся образования, стабильности и фазового поведения микроэмульсии. Например, одним из объяснений их термодинамической стабильности является то, что дисперсия масло / вода стабилизируется присутствующим поверхностно-активным веществом, и их образование включает в себя упругие свойства пленки поверхностно-активного вещества на границе раздела масло / вода, что включает в качестве параметров кривизну и жесткость фильма. Эти параметры могут иметь предполагаемую или измеренную зависимость от давления и / или температуры (и / или соленость водной фазы), которые могут использоваться для определения области стабильности микроэмульсии или для определения области, в которой встречаются три сосуществующие фазы. , Например. Расчет межфазного натяжения микроэмульсии с сосуществующей масляной или водной фазой также часто является предметом особого внимания и иногда может использоваться для определения их состава.

История и терминология

Термин «микроэмульсия» впервые использовали профессора химии Т. П. Хоар и Дж. Х. Шульман. Кембриджский университет, в 1943 году. Часто используются альтернативные названия для этих систем, например прозрачная эмульсия, набухшая мицелла, мицеллярный раствор, и солюбилизированное масло. Что еще более сбивает с толку, термин микроэмульсия может относиться к единственной изотропной фазе, которая представляет собой смесь масла, воды и поверхностно-активного вещества, или к фазе, которая находится в равновесии с сосуществующими преимущественно масляными и / или водными фазами, или даже к другим неизотропным фазам. . Как и в бинарных системах (вода / поверхностно-активное вещество или масло / поверхностно-активное вещество), могут быть сформированы самоорганизующиеся структуры различных типов, например, от (перевернутых) сферических и цилиндрических мицеллы к пластинчатый фазы и бинепрерывные микроэмульсии, которые могут сосуществовать преимущественно с масляной или водной фазами.[6]

Фазовые диаграммы

Микроэмульсионные домены обычно характеризуются построением трехфазных диаграмм. Три компонента являются основным требованием для образования микроэмульсии: две несмешивающиеся жидкости и поверхностно-активное вещество. В большинстве микроэмульсий масло и вода используются в качестве несмешивающихся пар жидкостей. Если используется вспомогательное поверхностно-активное вещество, оно может иногда быть представлено в фиксированном соотношении к поверхностно-активному веществу как отдельный компонент и рассматриваться как единственный «псевдокомпонент». Относительные количества этих трех компонентов можно представить в виде троичной фазовая диаграмма. Гиббс Фазовые диаграммы могут использоваться, чтобы показать влияние изменений объемных долей различных фаз на фазовое поведение системы.

Каждый из трех компонентов, составляющих систему, находится в вершине треугольника, где их соответствующая объемная доля составляет 100%. Уход от этого угла уменьшает объемную долю этого конкретного компонента и увеличивает объемную долю одного или обоих из двух других компонентов. Каждая точка в треугольнике представляет собой возможный состав смеси трех компонентов или псевдокомпонентов, которые могут состоять (в идеале, в соответствии с Правило фаз Гиббса ) одной, двух или трех фаз. Эти точки объединяются, образуя области с границами между ними, которые представляют «фазовое поведение» системы при постоянной температуре и давлении.

Фазовая диаграмма Гиббса, однако, представляет собой эмпирическое визуальное наблюдение за состоянием системы и может выражать, а может и не выражать истинное количество фаз в данном составе. Очевидно прозрачные однофазные композиции могут по-прежнему состоять из нескольких изотропных фаз (например, очевидно прозрачный гептан /АОТ / вода микроэмульсии состоят из нескольких фаз). Поскольку эти системы могут находиться в равновесии с другими фазами, многие системы, особенно с высокими объемными долями обеих несмешивающихся фаз, могут быть легко дестабилизированы чем угодно, что изменяет это равновесие, например. высокая или низкая температура или добавление модификаторов поверхностного натяжения.

Однако можно найти примеры относительно стабильных микроэмульсий. Считается, что механизм удаления кислотных отложений в моторных маслах автомобилей включает микроэмульсии вода-в-масле (w / o) с низким объемом водной фазы. Теоретически перенос водных капель кислоты через моторное масло к микродисперсным частицам карбоната кальция в масле должен быть наиболее эффективным, когда водные капли достаточно малы для переноса одного иона водорода (чем меньше капли, тем больше количество кислой воды капель, тем быстрее нейтрализация). Такие микроэмульсии, вероятно, очень стабильны в достаточно широком диапазоне повышенных температур.

Примечания

  1. ^ 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.
  2. ^ 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.
  3. ^ Жибо, Стефан (2012). «Микроэмульсии для перорального применения и их терапевтическое применение» (PDF). Мнение эксперта по доставке лекарств. 9: 937–951. Дои:10.1517/17425247.2012.694865. PMID  22663249.
  4. ^ «Процесс микроэмульсии для получения сополимеров акриламида и алкилакриламида», С. Р. Тернер, Д. Б. Сиано и Дж. Бок, патент США № 4521580, июнь 1985 г.
  5. ^ Овандо В.М. Полимерный бюллетень 2005, 54, 129-140
  6. ^ Т. П. Хоар и др., Nature, 1943, (152), 102-103.

Рекомендации

  • Принц, Леон М., Микроэмульсии в теории и практике Академическая пресса (1977) ISBN  0-12-565750-1.
  • Розано, Анри Л. и Клаус, Марк, ред., Микроэмульсионные системы (серия Surfactant Science Series) Марсель Деккер, Inc. (1987) ISBN  0-8247-7439-6