Теоретичні відомості

Емульсії - це дисперсні системи, що утворені двома взаємно нерозчинними рідинами (Р/Р). У зв'язку з цим дисперсна фаза і дисперсійне середовище повинні відрізнятися за полярністю. Прийнято полярну рідину умовно називати «водою», а неполярну – «маслом».

Відповідно до цього, емульсії поділяють на два типи:

• емульсії «масло у воді» називають прямими і позначають (М/В);

• емульсії «вода в маслі» називають зворотними і позначають (В/М).

Тип емульсії визначається властивостями дисперсійного середовища.

Таблиця 2.1

Властивості емульсій

Типу «масло у воді»	Типу «вода в маслі»
Не змочують гідрофобної поверхні Розбавляються водою Зафарбовується при введенні водорозчинного барвника. Мають високу електропровідність	Змочують гідрофобну поверхню Не розбавляються водою Зафарбовується при введенні жиророзчинного барвника. Мають невисоку електропровідність

Емульсію одного типу можна перетворити в емульсію іншого типу. Таке явище називається оберненням фаз. Тип емульсії можна змінити:

• додаванням до відповідної емульсії надлишку речовини, що є для емульсії іншого типу майбутнім дисперсійним середовищем;

• зміною хімічної природи емульгатору.

Емульсії, як і всі колоїдні і мікрогетерогенні системи, агрегативно нестійкі через надлишок вільної енергії на міжфазній поверхні. Агрегативна нестійкість емульсій виявляється в самовільному утворенні агрегатів з наступним злиттям – коалесценцією – окремих крапельок одна з одною. Це може призводити до повного руйнування емульсії і поділу її на два шари рідин.

Агрегативна стійкість емульсії може обумовлюватися багатьма факторами стійкості, що засновані на зниженні міжфазного натягу. Одним з таких факторів є введення в систему Р/Р третього компонента – емульгатора. В якості емульгаторів використовують низькомолекулярні (колоїдні) поверхнево-активні речовини (ПАР) і високомолекулярні поверхнево-активні речовини (ВМ ПАР).

Властивості емульсій суттєво залежать від концентрації дисперсної фази. Розрізняють розведені, концентровані і висококонцентровані емульсії.

Розведені емульсії мають концентрацію 0,1-0,2 об. % дисперсної фази. Розведені емульсії за розміром частинок різко відрізняються від концентрованих і висококонцентрованих емульсій – вони є найбільш високодисперсними (розмір крапель може бути меншим за 100нм). Агрегативна стійкість розведених систем обумовлена незначною частотою зіткнення частинок, внаслідок їх малої концентрації, і має кінетичний характер.

Концентровані емульсії мають концентрацію дисперсної фази не більш 74 об. %. Це максимальна концентрація для монодисперсної емульсії, що відповідає максимально можливому об'ємному вмісту недеформованих сферичних крапель. Для полідисперсних емульсій ця межа є умовною. Розмір частинок концентрованої емульсії 0,1-1мкм і більше. Агрегативна стійкість концентрованих емульсій може бути обумовлена різними причинами в залежності від класу ПАР.

Висококонцентровані емульсії мають концентрацію дисперсної фази більше 74об.%. У таких емульсіях частинки деформуються і набувають форми багатогранників. Дисперсійне середовище являє собою тонкий прошарок, що розділяє часточки дисперсної фази, зберігаючи при цьому безперервність. Об'ємна частка рідини, що диспергується, може досягати 90-95%. Такі емульсії мають вид твердого тіла.

Емульсії одержують механічним диспергируванням дисперсної фази в дисперсійному середовищі в присутності відповідного емульгатора. Для диспергирування, рідини, що емульгуються, сильно перемішують, чи струшують або піддають вібраційному впливу. Для цього використовують спеціальні емульсатори, мішалки, колоїдні млини, гомогенізатори, ультразвукові, кавітаційні пристрої.

Емульсії поширені як у природі, так і в різних галузях промисловості. Природними емульсіями є молоко, яєчний жовток, соки рослин, сира нафта.

У харчовій промисловості одержують безліч молочних продуктів, що є емульсіями – вершки, кисляк, кефір, а також майонез, соуси і т.п.

У вигляді емульсій готують багато ліків.

У текстильній промисловості використовують емульсії в якості пом’якшувачів, замаслювачів, загусників і препаратів для спеціальних видів обробок.

У хімічній промисловості з емульсіями проводять різні синтези, емульсії застосовують для одержання пористих органічних сорбентів, мембран, плівок, покриттів, лакофарбових виробів.

Одержання пін і оцінка їх стійкості.

Піни, так само як і емульсії, знаходять широке практичне застосування. Вони використовуються у процесах флотації (пінна флотація), при одержанні пористих тепло- і звукоізоляційних матеріалів (пінобетон, пінопласт, піноскло), у харчовій промисловості (пастила, мус) і т.п.

Пінами є дисперсні системи, в яких дисперсна фаза – газ, розподілена у рідкому дисперсійному середовищі, причому середовище представлене у вигляді тонких прошарків рідини. Таким чином, піни можуть бути визначені як висококонцентровані емульсії газу в рідині, подібно звичайній висококонцентрованій емульсії, де дисперсійне середовище представлене тонкими прошарками, що знаходяться між краплями дисперсної фази. Тверді піни утворюються з рідин, які здатні при охолодженні переходити у твердий стан (пенза, пінопласт).

Чисті рідини не дають стійкої піни, лише додавання до них другого компонента – піноутворювача – може привести до її утворення.

Дистильована вода не дає стійкої піни. Додавання до неї поверхнево-активної речовини приводить до появи піни, причому з ростом концентрації поверхнево-активної речовини інтенсивність піноутворення збільшується, проходить через максимум і знову знижується для концентрованих розчинів.

Молекули піноутворювача адсорбуються на границі розподілу таким чином, що їхня гідрофобна частина спрямована у бік газової фази, а гідрофільна – у воду. Гідрофільна частина молекули гідратується водою, утворюючи гідратні шари визначеної товщини, що захищають пухирці газу від коалесценції.

Піна може бути одержана шляхом струшування розчину піноутворювача в циліндрі чи пропусканням газу через пористий фільтр, що знаходиться в розчині піноутворювача. Третій спосіб одержання пін з розчинів, що дають високостійкі піни, полягає в тому, що струмінь розчину з визначеної висоти падає на поверхню того ж розчину, що знаходиться у вузькому циліндрі.

Піна утворюється в тому випадку, коли швидкість утворення і підходу пухирців газу до поверхні рідини виявляється більшою за швидкість їхнього руйнування. Чим більше швидкість утворення і чим менше швидкість руйнування пухирців, тим більш рясна піна може бути отримана. Іноді піноутворення небажане, тоді піну гасять. Це досягається додаванням ПАР, молекули якої виштовхують з поверхневого адсорбційного шару молекули первинного стабілізатора або розчиняють його. Це призводить до зниження стійкості піни і полегшує процес довільного руйнування.

Піни є термодинамічно нестійкими системами внаслідок високої питомої поверхні і, отже, великої величини вільної поверхневої енергії системи.

Для характеристики стійкості піни зазвичай приймають час існування піни з моменту її утворення до повного руйнування, або час, за який висота стовпа піни зменшується в 2 рази.

Стійкість піни також може бути оцінена за часом існування окремого пухирця, утвореного на поверхні рідини, чи за часом життя елементарної плівки, що утворена даною рідиною в дротовому кільці.