Часть 5

Микроэмульсии

Этот раздел будет посвящен рассмотрению основных свойств микроэмульсий – особому классу лиофильных дисперсных систем. В отличие от макроэмульсий - типичных лиофобных систем, микроэмульсии в силу минимального межфазного натяжения на границе жидкость-жидкость являются лиофильными и термодинамически устойчивыми системами. Размер капель микроэмульсий лежит в интервале (10-50 нм), что обеспечивает большую кривизну на межфазной границе (рисунок 1). Визуально микроэмульсии представляют собой опалесцирующие голубым цветом прозрачные однородные системы.

Рисунок 1. Формирование макро- и микро- эмульсий.

Возникновение термодинамически стабильной фазы основано на принципах самоорганизации ПАВ, микроэмульсионные фазы во многом сходны с другими фазами ПАВ, например, мицеллярными растворами и жидкокристалическими фазами. Микроэмульсии могут образовываться в смесях индивидуальных ПАВ, масла и воды, но во многих случаях для их образования требуется введение второго поверхностно-активного вещества, так называемого, со-ПАВ, например, спирта с гидрофобным радикалом среднего размера. В некоторых случаях для получения микроэмульсии в систему, кроме основного ПАВ, необходимо вводить соли или со-растворители.

Фазовое поведение многокомпонентной системы при постоянных температуре и давлении удобно представлять с помощью фазовых диаграмм (треугольников Гиббса), показанных на рисунке 2.

Рисунок 2. Типичные фазовые диаграммы микроэмульсионных систем.

При низких концентрациях ПАВ наблюдается последовательность равновесий между фазами, обычно называемыми винзоровскими (классификация Винзора, Winsor). Микроэмульсия может быть в равновесии с избытком масла (система Winsor I или нижняя микроэмульсионная фаза), с избытком воды (система Winsor II или верхняя микроэмульсионная фаза) или быть в равновесии одновременно с избытком обеих фаз (система система Winsor III или промежуточная микроэмульсионная фаза). Фазовые переходы, описанные здесь, показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Классификация Винзора.

Типичная фазовая диаграмма для конкретной системы представлена на рисунке 4. Как правило, для получения микроэмульсии, необходимо учитывать некоторые правила подбора ПАВ, о которых и поговорим несколько подробнее.

Рисунок 4. Фазовая диаграмма микроэмульсионной системы.

Принципы подбора ПАВ для получения микроэмульсий.

При определенных условиях все типы ПАВ (ионные и неионные) могут образовывать микроэмульсии. Более того, состав растворителя для получения микроэмульсий можно изменять в широком интервале, варьируя температуру, концентрацию электролита, со-ПАВ и со-растворителя, а также соотношение двух различных ПАВ в композиции. При подборе оптимальных ПАВ необходимо учитывать величину параметра упаковки Ns для предсказания типа агрегата, который самопроизвольно образуется в растворе.

Из геометрических оценок можно предполагать, что ПАВ с умеренно длинными вытянутыми алифатическими углеводородными «хвостами» больше всего подходят для получения микроэмульсий типа «масло в воде», тогда как ПАВ с объемными гидрофобными группами больше подходят для биконтинуальных микроэмульсий. Биконтинуальные микроэмульсии состоят из доменов, обогащенных как водой, так и маслом, в каналах которых находится масло. ПАВ, молекулы которых имеют разветвленные гидрофобные «хвосты», пригодны для получения микроэмульсий «вода в масле». Для получения обратных микроэмульсий существует еще одно эмпирическое правило подбора со-ПАВ: сумма длин углеводородных цепей со-ПАВ и масла должна быть сопоставима с длиной цепи основного ПАВ.

Наиболее широко применяемым ПАВ для получения микроэмульсий является АОТ (аэрозоль ОТ) – ди-2-этилгексилсульфосукцинат натрия, формула которого приведена ниже.

Помимо АОТ возможно использование и других ПАВ, формулы которых приведены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Типичные стабилизаторы микроэмульсионных систем.

Рисунок 6. Типичные стабилизаторы микроэмульсионных систем.

В заключение можно отметить, что в последнее время микроэмульсии находят широкое применение, особенно в качестве микрореакторов для получения наночастиц различных металлов – серебра, золота, меди и пр.