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.

Такая стабилизация возможна при избирательном смачивании порошков. Они должны лучше смачиваться той жидкостью, которая станет дисперсионной средой. Так, для получения эмульсий (М/В) применяют порошки с гидрофильной поверхностью: мел, кварц, BaSO₄ и др. Частицы порошка прилипают к поверхности капелек дисперсной фазы (см. рис 8.2 а), причем большая часть поверхности частиц будет находиться с внешней стороны капелек, так как порошок лучше смачивается водой.

При столкновении капелек, " бронированных" порошком, коалесценция не происходит, так как масло не может преодолеть слой порошка.

Если же твердый эмульгатор лучше смачивается неполярной жидкостью (сажа, сульфиды, парафин и др.), то по тем же причинам образуется эмульсия (В/М) (рис.8.2 б). Попытка же стабилизировать эмульсию (М/В) гидрофобным порошком, а эмульсию (В/М) - гидрофильным порошком не достигнет цели. Частицы порошка в этих случаях почти полностью втянуты внутрь капелек (рис.8.2 в): при столкновении таких капель будет происходить коалесценция.

Пользуясь эффективными, правильно выбранными эмульгаторами, можно получить эмульсии требуемого типа с концентрацией дисперсной фазы вплоть до 99%.

Если эмульгатор недостаточно эффективен, то тип эмульсии, образующейся при механическом диспергировании, зависит главным образом от соотношения объёмов фаз. Жидкость, содержащаяся в большем объёме, обычно становится дисперсионной средой.

 

Рис.8.2. Стабилизация эмульсий высокодисперсными порошками.

Эмульсию одного типа можно превратить в эмульсию противоположного типа, изменив природу эмульгатора. Это явление получило название обращение эмульсий (обращение фаз в эмульсиях). Например, эмульсию бензола в воде, стабилизированную олеатом натрия, легко превратить в эмульсию воды в бензоле. Для этого следует добавить в эмульсию соль многовалентного иона, например, хлористый кальций. В результате реакции образуется нерастворимый в воде олеат кальция, но который способен растворяться в бензоле и стабилизировать обратную эмульсию воды в бензоле.

Часто в практической деятельности человека возникает обратная задача: не стабилизировать эмульсии, а разрушать их. Например, сырая нефть – эмульсия воды в углеводородах, стабилизированная смолами и асфальтенами. Содержащаяся в нефти вода способствует коррозии трубопроводов, да и перекачивание воды вместе с нефтью экономически нецелесообразна.

Обычно в таких случаях применяют т.н. деэмульгаторы – это короткоцепочечные ПАВ. Они, обладая более высокой поверхностной активностью, чем эмульгаторы, способны адсорбироваться на поверхности частиц дисперсной фазы эмульсий и вытеснять молекулы эмульгаторов. Однако, деэмульгаторы не способны образовывать механически прочных адсорбционных пленок. При достаточно высокой концентрации деэмульгаторы разжижают упругие структурированные слои на поверхности частиц (устраняют структурно-механический фактор устойчивости систем), вызывая коагуляцию эмульсий.

[1] В более широком смысле под ползучестью понимают явление постепенного нарастания деформаций во времени при постоянном напряжении.

[2] Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: 1999, 316 С.

⇐ Предыдущая20212223242526272829

Поделиться:

Популярное:

1. Влияние на растение избытка влаги (заболоченные, болотные почвы); нарушения обмена веществ растений при переувлажнении; устойчивость к аноксии.
2. Выберите сорта яблони, имеющие генетическую устойчивость к парше
3. Гидравлическая устойчивость тепловых сетей и пути её повышения.
4. Каменные стены. Классификация каменных стен по материалу. Прочность, устойчивость, долговечность, теплозащитные свойства каменных стен. Детали каменных стен: цоколи, проемы, венчающая часть.
5. На экономическую устойчивость предприятия
6. Основные свойства внимания: объем внимания, устойчивость внимания, интенсивность внимания, концентрация внимания, распределение внимания, переключение внимания и колебание внимания.
7. Отраслевое равновесие. Устойчивость и неустойчивость равновесия. Паутинообразная модель.
8. Построение навыка. Ж. Стабилизация
9. Приспособление и устойчивость растений к
10. Режимы работы усилительного каскада и температурная стабилизация.
11. Состав эмульсий для мытья стекол
12. Стабилизация звукового образа: больше «присутствия» (presense).