ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Высококонцентрированные эмульсии, пены и свободные пленки из "Курс коллоидной химии" Эмульсией называется дисперсная система, состоящая из двух (или нескольких) жидких фаз. Условие образования дисперсной системы — практически полная или частичная нерастворимость вещества дисперсной фазы в среде. Поэтому вещества, образующие различные фазы, должны сильно различаться по своей полярности. [c.278] Практический интерес и наибольшее распространение получили эмульсии, в которых одна из фаз — вода. В этих случаях вторую фазу представляет неполярная или малополярная жидкость, называемая в общем случае маслом (например бензол, хлороформ, керосин, растительные, минеральные масла и т. п.) . Эти фазы образуют два основных типа эмульсий — дисперсии масла в воде (М/В) и дисперсии воды в масле (В/М). Эмульсин первого типа называют прямыми, а второго — обратными. В зависимости от концентрации дисперсной фазы Сй, эмульсии подразделяют на три класса разбавленные (са не превышает 0,1%) концентрированные (с 74%) и высококонцентрированные эмульсии, по структуре близкие к пенам ( 74%), Граница между двумя последними классами определяется тем, что частицы дисперсной фазы могут сохранять сферическую форму вплоть до объемной доли, соответствующей плотнейшей упаковке шаров (74%). Поэтому увеличение Са характерное для высококонцентрированных эмульсий, неизбежно связано с деформацией дисперсной фазы, приводящей к появлению новых свойств. [c.279] Примерами эмульсий, распространенных в природе и используемых в практике, могут служить молоко, сливочное масло, млечный сок растений, латексы, лимфа, природная нефть, магма. К эмульсиям относятся также битумы, консистентные смазки отработанные масла, окрасочные эмульсии, кремы, мази, эмульсии, применяемые в парфюмерии, распыляемые смеси для борьбы с вредителями растений, лекарственные составы и т. д. [c.279] Как правило, эмульсии являются грубодисперсными системами, поскольку очень мелкие капельки быстро исчезают вследствие изотермической перегонки (см. раздел V. 7). [c.279] Получают эмульсии главным образом путем механического диспергирования (встряхиванием, энергичным перемешиванием, воздействием ультразвука), а также выдавливания вещества дисперсной фазы через тонкие отверстия в дисперсионную среду под большим давлением. [c.279] Образующиеся тонкие струи разрываются затем в жидкой среде на отдельные капельки. Текущая струя жидкости метастабильна. Любые флуктуации, приводящие к сужениям струи, создают локальные зоны повышенного давления (вследствие уменьшения радиуса кривизны), из которых жидкость уходит, усиливая сужение вплоть до разрыва. На рис. XV. 1 показаны различные стадии процесса, приводящего к образованию капель (значение т в этом процессе увеличивается за счет механической работы текущей струи). [c.279] Наряду с диспергированием применяют также конденсационные методы замены растворителя и взаимной конденсации паров. [c.280] Рассмотрим свойства разбавленных эмульсий. Эти системы относительно устойчивы, поскольку вероятность столкновения капель при малых Со. невелика. [c.280] Тем не менее, эффективность столкновений незащищенных капелек в больщинстве случаев оказывается весьма высокой. Расчет электростатических сил отталкивания показывает, что они малы, по сравнению с твердыми частицами [15, с. 366]. Это объясняется прежде всего тем, что поверхностный заряд распределяется диффузно в обеих жидких фазах, и лишь часть межфазного скачка потенциала приходится на дисперсионную среду, что сильно снижает высоту возникающего в ней потенциального барьера. [c.280] Второе существенное отличие эмульсий от суспензий, также связанное с флюидностью дисперсной фазы обусловлено тем, что при столкновении капелек происходит легкое и полное их слияние, называемое коалесценцией (в отличие от замедленного роста локальных мостиков между твердыми частицами). Поэтому разбавленные эмульсии с незащищенными капельками могут существовать в метастабильном состоянии лишь в очень благоприятных условиях (малая концентрация электролита). В этом состоянии свойства их почти не отличаются от свойств лиофобных суспензоидов. Влияние электролитов соответствует правилу Шульце—Гарди, многозарядные ионы изменяют знак заряда частиц, в устойчивых эмульсиях наблюдается заметный электрофорез и т. д. [c.280] Примером устойчивых эмульсий является сырая нефть, в которой капельки воды образуют эмульсии обратного типа, а также прямые разбавленные эмульсии масла в воде, образующиеся при конденсации отработанного пара в паровых двигателях. Тип эмульсии в разбавленных эмульсиях определяется чаще всего объемным соотношением фаз—дисперсную фазу образует вещество, находящееся в системе в меньшем количестве. [c.280] Значительный интерес представляют концентрированные эмульсии, в которых Са составляет обычно десятки процентов. Из сказанного ранее следует, что такие системы не могут быть устойчивы без стабилизации. Действительно, при интенсивном встряхивании бензола или растительного масла с водой, эмульсия существует лишь во время встряхивания или в момент его окончания, после чего сразу же начинается коалесценция, быстро приводящая к разделению системы на два жидких слоя. Длительное существование эмульсии обеспечивается лишь в условиях стабилизации, связанной с образованием адсорбционно-сольватного или адгезионного слоя на межфазной границе. [c.280] Тем не менее, объяснение, сводящее эмульгирующее действие только к снижению о, далеко не согласуется со всей совокупностью экспериментальных фактов. Так, короткоцепочечные спирты и жирные кислоты с числом атомов углерода в цепи пс 8 не являются типичными эмульгаторами. Наилучшей эмульгирующей способностью обладают ПАВ с Пс от 10 до 18. С дальнейшим ростом длины цепи эмульгирующая способность опять ослабевает. Таким образом, существует некоторое оптимальное соотношение гидрофильных и липофильных (гидрофобных) свойств дифильных молекул ПАВ, необходимое для эмульгирования. [c.281] Гидрофильные свойства, одинаковые для всего ряда, определяются взаимодействием полярной группы с водой, липофильные — взаимодействием неполярной цепи переменной длины с маслом. В результате преобладающей гидрофильности короткоцепочечных ПАВ происходит втягивание из пограничного слоя в водную фазу (рис. XV. 2,а), в то время как длинноцепочечные ПАВ с преобла-дающими липофильными свойствами втягиваются в фазу масла (рис. XV. 2,6). При полной сбалансированности образуются множественные эмульсии, совмещающие типы М/В и В/М. Поэтому для хорошего эмульгирующего действия необходима относительная уравновешенность с некоторым дебалансом в пользу полярной или неполярной частей (рис. XV. 2,в). В современную литературу прочно вошел термин гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ), отражающий это свойство эмульгатора. [c.281] Величина ГЛБ по существу определяется разностью работ адсорбции ЯТ пК, раздел VI. 6) ПАВ на границе раздела из одно и из другой фаз. Поэтому для практических расчетов используют правило аддитивности работ адсорбции отдельных частей молекулы ПАВ (полярных групп и гидрофобной цепи), исходя из принципа независимого поверхностного действия существуют таблиць для расчетов [7]. Такой метод позволяет подсчитать числа ГЛБ, тем более высокие, чем более гидрофильно ПАВ несмотря на эмпирический характер, он дает очень полезные для практики указания на выбор оптимального эмульгатора. [c.282] Прекрасными эмульгаторами являются мыла с числом пс от 12 до 18 (олеаты, стеараты и другие). Они адсорбируются на межфазной границе и образуют, вследствие сильной боковой когезик неполярных цепей (см. раздел VII. 4) структурированные ориентированные слои, которые по механическим свойствам подобны гелеобразным конденсационным структурам. Эти слои обращены ионогенными группами к воде, а неполярными цепями — к маслу. [c.282] Для всех практических целей весьма важно знать — какой тиг эмульсии (М/В или В/М) образуется при совместном диспергировании масла и воды. В концентрированных системах тип эмульсин определяется ГЛБ эмульгатора если он сдвинут в сторону гидрофильности, получается прямая эмульсия (М/В) и наоборот, вне зависимости от класса эмульгатора (ПАВ или порошок). [c.282] Для объяснения этих фактов существует несколько моделей позволяющих в упрощенной форме получить представления о механизме влияния эмульгаторов на тип эмульсии. [c.282] Несомненно, что после диспергирования сравнимых между собой объемов масла и воды, в первый момент существуют совместно капельки масла и воды. Затем капли одного типа, менее устойчивые, коалесцируют, образуя дисперсную среду, тогда как более устойчивые выживают и становятся дисперсной фазой. Устойчивость обеспечивается в том случае, если защитный барьер расположен вне капли, на подступах к ней — в дисперсионной среде (а не внутри капли). [c.283] Вернуться к основной статье