Агрегативная устойчивость эмульсии и механизм эмульгирования

 

Задача приготовления агрегативно устойчивых эмульсий (имеется в виде концентрированных) сводится в основном к подысканию наиболее эффективного эмульгатора для данного сочетания компонентов.

Образование эмульсий всегда сопровождается поглощением механической энергии. Образующаяся новая (большая) поверхность является носителем свободной поверхностной энергии, которая зависит от площади поверхности и межфазного поверхностного натяжения:

е = o-S,

Рис. j

где е - свободная поверхностная энергия (Н/м); 5 - суммарная поверхность раздела (м²); а - поверхностное натяжение (Н/м).

Из формулы следует, что чем больше поверхность раздела между фазами, тем больше ее избыточная свободная энергия, сконцентрированная на поверхности раздела фаз. Такие системы термодинамически неустойчивы и в них самопроизвольно протекают процессы, направленные на уменьшение запаса свободной энергии. Практически это происходит за счет самопроизвольного укрупнения - слияния капелек друг с другом (коалесценцня). В пределе это укрупнение может привести к полному разрушению эмульсин и разделению ее на два слоя. Для того чтобы эмульсия сохранила агрегативную устойчивость, необходимо сохранить достигнутую степень дисперсности, понизив величину а, а тем самым избыток свободной энергии (в) до ее минимального значения. Практически это можно осуществить с помощью веществ, способных адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая избыток межфазной поверхностной энергии. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ).

Экспериментально доказано, что при смешении воды с бензолом при в = 35*10^-3 Н/м эмульсия быстро расслаивается. При понижении г до 10"^э Н/м эмульсию удается получить легко, а при е= I0^-3 Н/м эмульгирование наступает произвольно и эмульсии остаются устойчивыми несколько лет. Если, кроме того, поверхностно-активный эмульгатор представляет собой электролит, то стабилизирующее его действие усиливается за счет образования двойных электрических слоев вокруг частиц дисперсной фазы.

Поверхностно-активные эмульгаторы по мерс понижения межфазной поверхностной энергии накапливаются на поверхности раздела. Результатом подобной концентрации является образование адсорбционной пленки из эмульгатора, прочно облегающей всю дисперсную фазу.

Мицеллы или молекулы эмульгатора, находящиеся в пограничном слое, обладают векториальными свойствами, т. е. не разбросаны беспорядочно, а ориентированы определенным образом. Характер ориентации находится в зависимости от полярных групп мицелл или молекул. Эти группы являются гидрофильными, способны к гидратации, причем гидратированные группы на поверхности раздела всегда ориентированы к водной фазе и погружены в нее. Неполярные же участки молекул или мицелл   (например, углеводородные цепи в молекулах мыл)  не гидра-

тируются, а являясь по своей природе гидрофобными, или, иначе говоря, олеофильными, ориентируются к масляной фазе, распределяясь в ней. Таким образом, действие эмульгатора заключается в придании гидрофобной системе гидрофильных свойств.

Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но тип эмульсии (правило Банкрофта). Дисперсионной средой становится та фаза, в которой эмульгатор преимущественно растворяется. Таким образом, для получения устойчивых эмульсий типа М/В необходимы гидрофильные эмульгаторы, хорошо растворимые в воде, образующие на капельках масла прочную структурированную оболочку (рис. 160, а). Эмульсии типа В/М стабилизируются олеофильными эмульгаторами, растворимыми в маслах (рис. 160, б).

Размер капелек дисперсной фазы зависит от величины снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз и величины энергии, затраченной на измельчение частиц дисперсной фазы. Особенно большую устойчивость эмульсии получают в результате гомогенизации, т. е. при дополнительном энергичном механическом воздействии на готовую эмульсию. При гомогенизации не только повышается дисперсность эмульсии; последняя становится монодисперсной, что значительно повышает ее устойчивость.

27.06.2015