2.2.2. Устойчивость эмульсии
Устойчивость эмульсий – это способность их не разрушаться и не разделяться на дисперсную фазу и дисперсионную среду в течение определенного промежутка времени. [5,6]
Устойчивость эмульсии зависит от многих факторов, например, поверхностного натяжения, вязкости дисперсионной среды, температуры, дисперсности частиц и т.д. Но из всего перечисленного главный фактор устойчивости эмульсии это крупность эмульгированных частиц, то есть ее дисперснность. При уменьшении размеров капелек действие гравитационных сил убывает и начинают превалировать силы, удерживающие их в стабильно взвешенном состоянии. [7]
Для оценки стойкости эмульсий следует различать три понятия:
Кинетическая (седиментационная) устойчивость определяет устойчивость дисперсной системы против осаждения. Она характерна для тонкодисперсных систем и обусловленная тепловым (броуновским) движением частиц. Поэтому при малом содержании в эмульсии эмульгированной фазы для получения устойчивых разбавленных эмульсий достаточно просто интенсивного перемешивания [7] Кинетическая устойчивость определяется в основном массой капелек дисперсной фазы и определяется скоростью седиментации в гравитационном поле, которая выражается из Архимедовой силы и уравнения Стокса[8]:
,
(3)
где g -ускорение свободного падения, м/сек2, r - радиус частиц, м,
ρ1-плотность дисперсной фазы, кг/м3, р0 - плотность дисперсионной среды, кг/м3, η-вязкость дисперсионной среды, Па×с.
Таким образом скорость седиментации тем больше, чем больше размер (радиус) капелек, разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и меньше вязкость дисперсионной среды. Согласно уравнению (3), если ρ1>ρ0 происходит оседание частиц, ρ1<ρ0- всплывание частиц и если ρ1 =ρ0- система устойчива.
Агрегативная устойчивость характеризует способность системы сохранять свою степень дисперсности. Нарушение агрегативной устойчивости ведет к нарушению седиментационнной устойчивости, что определяется формулой:[9]
,
(4)
где
содержание дисперсной фазы в анализируемой
эмульсии;
количество дисперсной фазы, расслоившейся
в процессе центрифугирования.
К причинам, обуславливающим агрегативную устойчивость эмульсий, относят:
• образование структурно-механического слоя эмульгаторов на межфазной границе глобул. Таковые являются коллоидные адсорбционные слои, которые образуют белки, щелочные мыла, крахмал для прямых эмульсий.Одни и те же твердые частицы могут стабилизировать эмульсию разного типа в зависимости от того, в какой среде они первоначально присутствовали, в итоге одна из эмульсий получается устойчивей другой. Данное свойство твердых стабилизаторов лежит в основе технологии разрушения «ловушечных» эмульсий.
• образование двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности, обуславливающего возникновение энергетического барьера, который препятствует сближению глобул на расстоянии, где действуют интенсивные молекулярные силы притяжения.
ДЭС основывается на уравнении энергии отталкивания двух капель масла[9]:
,
(5)
где
и
- концентрации одновалентных электролитов
в масле и воде,
и
-
диэлектрическая постоянная масла и
воды,
и
-
падение потенциала в масляной фазе и
водной фазе, r- радиус.
Из уравнения (5) следует, что энергия отталкивания двух капель воды в масле намного меньше, чем энергия отталкивания двух капель масла в воде, так как обычно намного меньше.
• термодинамические процессы, протекающие на поверхности глобул дисперсной фазы, которые исключают слипание частиц при соударении, как в результате своих упругих свойств, так и вследствие того, что на границе глобул и свободной среды отсутствует поверхностное напряжение.
• расклинивающее давление, препятствующего утоньшению пленок жидкости. Б.В.Дерягиным разработана теория «расклинивающего давления» - энергетического барьера [10]:
Джиллеспи и Райдил установили, что из двух несмешивающихся жидкостей с обычными физическими свойствами, вероятность разрыва пленки дисперсионной среды при сближении капель дисперсной фазы обратно пропорциональна ее толщине и, наступает при утоньшении пленки до 10-5 мкм. Для выражения скорости коалесценции капель было предложено уравнение
(6)
где – общее число капель, взятых для изучения; N – число капель, не успевших коалесцировать за время τ. – время коалесценции; k – константа, связанная с физическими свойствами системы зависимостью:
,
(7)
где – коэффициент, характеризующий флуктуации в системе; σ – межфазное натяжение; η – вязкость дисперсионной среды; r – радиус капли.
А.А.Петров и С.А.Блатова установили, что сопротивление выдавливанию с уменьшением толщины прослойки (h) сначала имеет почти постоянное значение 0 – 0,05 H/м2, а начиная с толщины около 200 – 250 мкм, резко возрастает, достигая максимального значения 0,2 H/м2 при толщине около 100 мкм. При дальнейшем утоньшении пленок сопротивление выдавливанию резко падает (иногда переходит даже в область отрицательных значений), что соответствует процессу разрыва пленки. [10]
Обращение фаз (инверсия) – изменение типа эмульсии от в/м к м/в и наоборот. На инверсию влияют соотношение фаз, природа, концентрация и гидрофильно – липофильный баланс эмульгаторов, способ приготавления эмульсии.