4.2 Лиофобные коллоидные системы

4.2.1 Эмульсии

Эмульсии – это дисперсные системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимно нерастворимыми или плохо растворимыми жидкостями. Эмульсии широко распространены в природе (нефть, млечный сок растений-каучуконосов). Эмульсиями являются многие продукты и полупродукты пищевой промышленности (молоко, майонез, маргарин, мясные бульоны).

Дисперсионная среда эмульсий может быть как полярной, так и неполярной. Любую полярную жидкость принято обозначать буквой В (вода), неполярную – М (масло).

Следовательно, эмульсии могут быть двух типов:

1) прямая, или эмульсия I рода, в которой неполярная жидкость диспергирована в полярной (сокращенно М/В);

2) обратная, или эмульсия II рода, в которой дисперсной фазой является полярная жидкость (В/М).

Примером прямой эмульсии может служить молоко, обратной – природная нефть.

Эмульсии классифицируют также по концентрации дисперсной фазы (С_дф). Различают разбавленные (С_дф  1 % об.), концентрированные (1 < С_дф  74 % об.) и высококонцентрированные (С_дф > 74 % об.) эмульсии.

Получают эмульсии преимущественно механическим диспергированием (эмульгированием) одной жидкости в другой путем перемешивания, встряхивания, вибрационного воздействия, воздействия ультразвуком. С этой целью применяются коллоидные мельницы, смесители различных конструкций.

Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобными.

Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и являются термодинамически устойчивыми. Таких эмульсий немного, например, смазочно-охлаждающие жидкости.

Большинство эмульсий – это термодинамически неустойчивые лиофобные системы, которые не могут образовываться самопроизвольно и существовать длительное время. Термодинамическая неустойчивость эмульсий обусловлена большим запасом свободной поверхностной энергии G_пов. Согласно второму закону термодинамики такие системы стремятся самопроизвольно перейти в состояние с минимумом свободной энергии. В дисперсных системах этот процесс может происходить либо за счет снижения межфазового натяжения , либо за счет уменьшения удельной поверхности S, поскольку

G_пов = S.

Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в коалесценции – самопроизвольном слиянии капель дисперсной фазы и образовании частиц большего размера с последующим расслоением на две макрофазы с минимальной поверхностью раздела (рис. 4.7). Поэтому лиофобные эмульсии нуждаются в стабилизации. С этой целью в них вводят стабилизаторы (эмульгаторы).

Рис. 4.7. Разрушение эмульсии

Действие стабилизатора основано на снижении межфазового натяжения и образовании на поверхности капель прочных адсорбционных защитных слоев, не разрывающихся при столкновении капель. При этом удельная поверхность дисперсной фазы остается неизменной, а образующаяся эмульсия становится агрегативно устойчивой.

В качестве стабилизаторов эмульсий наиболее часто используют коллоидные поверхностно-активные вещества (мыла, моноглицериды жирных кислот, эфиры сахарозы, сахароглицериды) и высокомолекулярные соединения (белки, полисахариды), реже – тонкоизмельченные нерастворимые порошки (мел, глины, каолин, уголь).

Свойства и тип образующейся эмульсии в большой степени зависят от природы применяемых эмульгаторов. При выборе эмульгатора необходимо руководствоваться правилом Банкрофта: эмульгатор должен обладать большим сродством к жидкости, являющейся дисперсионной средой, чтобы защитный слой образовывался снаружи капель. Так, для получения прямой эмульсии следует использовать водорастворимые ВМС, например, белки, растворимые в воде ПАВ, гидрофильные порошки; обратную эмульсию стабилизируют жирорастворимыми ВМС и ПАВ, гидрофобными порошками.

Выбор эмульгатора можно производить, исходя из его гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ):

,

где В_i – групповое число.

П АВ с числом ГЛБ = 8  13 лучше растворимы в воде, чем в масле (т.е. имеют более выраженные гидрофильные свойства), поэтому стабилизируют прямые эмульсии. ПАВ с числом ГЛБ = 3  6 стабилизируют обратные эмульсии.

На рис. 4.8 представлена схема расположения дифильных молекул ПАВ на поверхности капелек эмульсий.

Стабилизирующее действие эмульгатора зависит не только от его природы, но и от концентрации

в системе. Каждый эмульгатор имеет определенную оптимальную концентрацию, при которой достигается максимальный эффект стабилизации эмульсии.

При определенных условиях эмульсии одного типа могут превращаться в эмульсии другого типа. Это явление называется обращением фаз эмульсий. Обращение фаз эмульсий можно вызвать изменением природы эмульгатора. Так, олеат натрия стабилизирует прямую эмульсию. При постепенном добавлении к этой эмульсии соли кальция образуется нерастворимый в воде олеат кальция, который является стабилизатором обратной эмульсии.

На практике нередко возникает задача разрушения эмульсии – деэмульгирование. Разрушение эмульсий может быть достигнуто химическим, механическим, термическим воздействием. Типичным примером разрушения эмульсий является центрифугирование, например, сепарирование молока. Химическое воздействие сводится к разрушению или вытеснению эмульгатора. Роль деэмульгаторов могут выполнять минеральные кислоты, а также ПАВ, которые по сравнению с эмульгатором обладают большей поверхностной активностью, но не способны образовывать прочных защитных слоев.

Применение эмульсий

1. Пищевая промышленность.

Многие пищевые продукты представляют собой эмульсии.

Молоко – эмульсия типа М/В: дисперсная фаза – капли жира, дисперсионная среда – вода с растворенными в ней минеральными веществами, белками, молочным сахаром. Роль стабилизатора играют белки, обволакивающие наружную поверхность жировых капель.

Майонез – концентрированная эмульсия растительного масла. Дисперсионной средой является вода, содержащая яичный желток, уксус, горчицу, специи.

Маргарин – концентрированная эмульсия типа В/М.

В мясной промышленности к эмульсиям относят тонкоизмельченные колбасные фарши: эмульгированные частицы жира являются дисперсной фазой, вода с растворенными в ней белками – дисперсионной средой. Мясной фарш является сложной дисперсной системой.

2. Фармацевтическая промышленность. Многие лекарства готовят в виде эмульсий.