1.6.2. Эмульгатор
Для того чтобы успешно рассеять капли в непрерывной фазе эмульсии, часто необходимо использовать эмульгатор. Применение эмульгатора позволяет термодинамически нестабильным системам достигнуть определенной стабильности, путем разделения двух фаз. Эмульгатор снижает риск слияния глобул или их присоединения, и дальнейшего формирования больших шариков, которые в конечном итоге приводят к разделению двух жидкостей. Стабильность эмульсии зависит от свойства эмульгатора, и от его способности образовывать пленку на поверхности раздела между двумя фазами. Плёнка на границе должна быть прочной и упругой, а также должна быстро формироваться в процессе подготовки.
Эмульгаторы могут быть разделены на три категории:
- Поверхностно-активные агенты: скапливаются на границе масло-вода и снижают межфазное поверхностное натяжение.
- Гидрофильные коллоиды: работают путем формирования нескольких молекулярных плёнок около дисперсных частиц.
- Мелко распределяют сплошной слой, совершая работу на границе раздела между двумя жидкими фазами и образуют пленку вокруг частиц дисперсной глобулы.
Поверхностно-активные эмульгаторы, используемые в промышленности [1], пересчитываются на массу. Общие эмульгаторы, такие например как моющие средства, содержат как гидрофобные, так и гидрофильные компоненты. На рисунке 9 представлен эмульгатор, разделяющий две фазы. Толщина эмульгатора, который окружает капли, обычно более одной молекулы. Часто несколько слоев разделяет две системы.
Рисунок 9 – Действие эмульгаторов в эмульсии вода в масле
Выбор эмульгатора зависит от типа требуемой эмульсии, «масло в воде» или «вода в масле», и от растворимости эмульгатора в каждой из фаз. Есть грубое правило: фаза, в которой поверхностно-активное вещество растворяется больше, образует непрерывную фазу. Точный механизм формирования эмульсии и выбор эмульгатора, как и наука, состоит из проб и ошибок и содержит в себе предыдущий опыт, который часто является решающим при выборе эмульгатора.
Наиболее распространенным эмульгатором для эмульсионных взрывчатых веществ, и одним из эмульгаторов используемых в данном исследовании, является сорбитан моноолеат. Сорбитан моноолеат имеет низкую растворимость в воде и действует как хороший стабилизатор эмульсии типа «воды в масле». Его структура приведена на рисунке 10.
Рисунок 10 – Молекула сорбитана моноолеата
Эмульгирование масел и жиров в водном растворе белков, углеводов и солей, как правило, достигается с помощью гомогенизации при высоком давлении. Хотя эмульгаторы снижают межфазное натяжение между маслом и водой, это имеет лишь незначительное влияние на конечный размер частиц. Размер частиц эмульсии в основном зависит от интенсивности приложенной энергии [2], это означает, что чем больше энергия, расходуемая на формирование эмульсии, тем меньше будет размер капель. В эмульсии типа «вода в масле» эмульгаторы используются для обеспечения более мелких размеров частиц. Это действие вызвано тем, что уменьшается поверхностное натяжение между маслом и водой, и снижается скорость рекоалесценции капель воды до того как масляная фаза кристаллизуется.
1.6.3. Разрушение эмульсий
Эмульсии термодинамически неустойчивы и их относительная стабильность зависит таких явлений, как флокуляции и агрегации. Снижение поверхностного натяжения эмульгаторами, позволяет образовывать эмульсию, если межфазное натяжение увеличивается, то эмульсия начинает разрушаться. Эмульсии может распасться одним из четырех различных видов распадов, приведенных на рисунке 11.
Рисунок 11 – Процессы распада эмульсии
A) Коалесценция
Это соединение двух (или более) капель в единую каплю большего объема, но меньшую по площади поверхностного раздела. Такой процесс энергетически выгоден во всех случаях в которых существует положительное (даже если небольшое) поверхностное натяжение. Результаты коалесценции в значительных объёмах микроскопических изменений в дисперсной фазе (размер и распределение) не могут немедленно привести к макроскопическим изменениям.
В) Расcлоение
Это процесс разделения двух фаз. Этот макроскопический процесс очевидно возникает из-за микроскопического процесса сращивания.
С) Флокуляция
Это процесс, при котором отдельные капли в эмульсии собираются, чтобы сформировать хлопья или свободные скопления частиц, в которых капли отделяются друг от друга. Флокуляция отличается от коалесценции тем, что капли не сливаются в одну. Флокуляция, во многих случаях, может быть прекращена применением энергия, такой как перемешивание. Для этого требуется гораздо меньше энергии, чем изначально требуется для образования эмульсии.
D) Отстаивание
Это процеес связан с тем, что флокуляции происходит без слияния капель. Он будет происходить, с течением времени, почти во всех эмульсиях, в которых имеется разница в плотности двух фаз. Скорость отстаивания будет зависит от физических характеристик системы, особенно вязкости непрерывной фазы. Это можно легко изменить. Если дисперсная фаза плотнее чем непрерывная фаза, то процесс называется седиментацией.
Перечень ссылок
1. Becher, Reinhold. Emulsions: Theory and Practice. – 1957.
2. Marcel-Deker. Encyclopaedia of Emulsion Technology. – 1983.