Эмульсии – это грубодисперсные системы, в которых дисперсной фазой и дисперсионной средой являются две несмещивающиеся (т.е. разные по полярности) или смешивающиеся ограниченно жидкости. Причем, одна из жидкостей (фаза) распределена в другой (среда) в виде мельчайших капель размером от 10–7 м до видимых глазом. Одна из этих жидкостей полярна и называется «водой», а другая – неполярна (или малополярна) и называется «маслом». Полярной жидкостью обычно бывает вода.
В зависимости от природы дисперсной фазы и дисперсионной среды эмульсии классифицируют на два типа:
а) прямые (I рода) эмульсии, имеющие неполярную дисперсную фазу («масло») и полярную дисперсионную среду («вода»), которые обозначают М/В;
б) обратные (II рода) эмульсии, имеющие полярную дисперсную фазу и неполярную дисперсионную среду, которые обозначают В/М.
Тип полученной эмульсии (т.е. какая жидкость будет дисперсной фазой) определяется не количеством жидкости в растворе, а в первую очередь, природой стабилизатора (эмульгатора). То есть можно получить эмульсию, где дисперсная фаза будет составлять до 99% объема. Это является отличительной особенностью эмульсий.
В зависимости от концентрации частиц дисперсной фазы эмульсии делят:
а) на разбавленные (содержание фазы не более 0,1% от объема эмульсии);
б) концентрированные (содержание фазы от 0,1% до 74% объема);
в) высококонцентрированные (содержание фазы более 74% объема).
Граница между двумя последними видами эмульсий определяется тем, что частицы сохраняют сферическую форму вплоть до объемной доли 74 %, что соответствует плотнейшей упаковке. Дальнейшее увеличение концентрации капель связано с деформацией частиц дисперсной фазы, приводящей к появлению новых свойств. В таких эмульсиях капли имеют форму многогранников, а дисперсионная среда располагается в виде тонких прослоек жидкости между деформированными каплями.
При концентрации свыше 90% эмульсии приобретают свойства гелей, поэтому их называют желатинированными. Они не обладают текучестью и не способны к седиментации. Эмульсии, в которых достигнута максимально возможная концентрация, называются предельно-концентрированными.
От концентрации дисперсной фазы зависят основные свойства эмульсий (например, устойчивость) и методы их стабилизации.
Методы получения эмульсий.Эмульсии получают методами диспергирования или конденсации. Тип полученной эмульсии зависит, как отмечалось выше, в основном – от природы эмульгатора, а также от порядка смешения жидкостей, техники эмульгирования и способа введения эмульгатора.
На практике чаще используют механическое диспергирование двух жидкостей в присутствии эмульгатора путем встряхивания, перемешивания, воздействия вибрации или ультразвука, а также выдавливания дисперсной фазы через тонкие отверстия в дисперсионную среду под большим давлением. Эмульгирование проводят в коллоидных мельницах, а также в специальных установках – эмульгаторах и роторнопульсационных аппаратах.
Полученные перечисленными методами эмульсии, а также некоторые природные эмульсии (например, молоко), ввиду довольно крупных капель дисперсной фазы и их полидисперсности, отличаются седиментационной неустойчивостью. Их хранение и использование затруднительно, так как они расслаиваются. Вторичное уменьшение размеров капель, сопровождающееся выравниванием их размеров, называется гомогенизацией. В результате образуются устойчивые высокодисперсные эмульсии с размерами частиц дисперсной фазы порядка 10–7 м. Гомогенизированное молоко может храниться, не расслаиваясь, в течение нескольких месяцев.
Высокой устойчивостью отличаются эмульсии, полученные с помощью ультразвука. Но этот метод применим не всегда, так как ультразвуковые колебания способны изменить природу эмульгатора, что особенно нежелательно при работе с биологическими объектами.
Когда межфазное поверхностное натяжение на границе фаз вода–«масло» снижено изменением температуры или введением эмульгатора до очень малой величины, происходит самопроизвольное эмульгирование – образование эмульсии без внешнего перемешивания. Например, некоторые масла могут самопроизвольно эмульгироваться в воде при наличии 10 – 40% натриевых мыл. При этом получаются очень высокодисперсные системы, отличающиеся своей термодинамической устойчивостью от обычных эмульсий, агрегативная устойчивость которых временна.
Самопроизвольное эмульгирование играет существенную роль в процессах переваривания и усвоения пищи организмом. Например, при попадании жира в кишечник, вначале происходит самодиспергирование жира под действием содержащихся в желчи холиевых кислот (ПАВ), а затем полученная высокодисперсная система всасывается организмом.
Условия получения устойчивых эмульсий сходны с условиями получения золей:
1. Обе жидкости, образующие эмульсию, должны быть нерастворимы или слаборастворимы друг в друге, т.е. разнополярны.
2. В системе должен присутствовать стабилизатор, который применительно к эмульсиям называется эмульгатором.
3. Дисперсность системы: чем меньше размеры капель (высокодисперсные эмульсии), тем устойчивее эмульсии.
Устойчивость эмульсий. Так как эмульсии являются гетерогенными системами с большой удельной поверхностью раздела фаз, то они термодинамически неустойчивы.
Седиментационная (кинетическая) устойчивость эмульсий определяется их дисперсностью, различием плотностей жидкостей и вязкостью среды. Эмульсии тем устойчивее, чем меньше размер частиц, чем ближе плотности жидкостей, образующих эмульсию, и чем выше вязкость дисперсионной среды.
Агрегативная неустойчивость (коагуляция) эмульсий проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капель с последующим слиянием (коалесценцией) отдельных капель друг с другом. Если агрегаты капель не сливаются и при определенных условиях снова расходятся, то такой процесс называется флокуляцией.
Агрегативная устойчивость в первую очередь зависит от концентрации частиц дисперсной фазы. Чем меньше число капель в единице объема эмульсии, тем меньше частота их столкновений, и тем устойчивее эмульсия. Разбавленные эмульсии могут существовать длительное время, поскольку при малой концентрации частиц вероятность их столкновения мала. Для концентрированных эмульсий требуется эмульгатор.
Эмульгаторы. Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. При эмульгировании всегда одновременно образуются два типа эмульсии – М/В и В/M, и только вследствие большей устойчивости «выживает» та эмульсия, которая соответствует природе примененного эмульгатора.
Эмульгаторы делятся на низкомолекулярные ПАВ, высокомолекулярные ПАВ и порошки. По сродству с дисперсионной средой их классифицирую на гидрофильные и гидрофобные. Некоторые примеры различных типов эмульгаторов приведены в таблице:
