Как приготовить устойчивую эмульсию

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ И ТЕРМОДИНАМИКА ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ

Методы получения.

Все методы получения эмульсий, как и любой другой дисперсной системы, можно разделить на:

Конденсационные методы связаны с образованием капелек эмульсии из отдельных молекул. Таким образом, получаются критические эмульсии при выделении капель новой фазы из раствора вблизи критической температуры смешения;

В промышленности в лабораторной практике получают эмульсии диспергированием одной жидкости в другой. В свою очередь, диспергационные методы можно разделить на:

2.1) методы, в основе которых лежит взбалтывание;

2.2) методы перемешивание.

Диспергирование взбалтыванием производится при возвратно-поступа­тельном движении либо сосуда, в котором находится смесь жидкостей, либо специального приспособления, например, спиральной пружины, находящейся внутри жидкости.

Методы перемешивания основаны на использовании лопастных или пропеллерных мешалок.

Общим для приготовления любой эмульсии является очередность смешения фаз. Всегда к жидкости, которая должна стать дисперсионной средой, постепенно прибавляется вторая жидкость. Для получения устойчивой эмульсии во внешней фазе уже должен присутствовать стабилизатор. Для облегчения диспергирования следует вводить эмульгатор, причем его можно растворять как в масляной, так и в водной фазе.

Наиболее частой ошибкой при получении эмульсий является неправильный выбор интенсивности механического воздействия. Часто считают, что эмульгирование происходит тем лучше, чем сильнее перемешивается (взбалтывается) смесь жидкостей. В действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия, выше которой происходит не диспергирование, а наоборот – коалесценция.

Связано это с тем, что, как мы видели выше, устойчивые эмульсии получаются только в присутствии стабилизатора на поверхности капелек и выше определенной критической степени насыщения адсорбционного слоя. Адсорбция, как известно, происходит не мгновенно и для формирования адсорбционного слоя требуется определенный промежуток времени. Если поверхность капель не успевает адсорбировать стабилизатор, то при столкновении капель происходит их слияние. Таким образом, интенсивное перемешивание, сопровождающееся образованием новой поверхности, не имеющей адсорбционного слоя и не способствующей эмульгированию. Кроме того, при интенсивном перемешивании возможно разрушение образовавшегося адсорбционного слоя и, следовательно, снижение потенциального барьера коалесценции, в то время как кинетическая энергия капель растет. Все это необходимо учитывать для приготовления устойчивой эмульсии.

Прямые эмульсии можно получить путем ритмичного встряхивания их с водным раствором эмульгатора в закрытом сосуде или способом, основанным на возвратно-поступательном движении спирали в смеси жидкостей. Таким путем можно получить даже высококонцентрированные — предельные эмульсии. Предельные эмульсии с использованием лопастных мешалок получить практически невозможно. Зато этот способ, при умеренной скорости вращения мешалок (80-100 оборотов в минуту) может с успехом применяться для приготовления эмульсий неструктурированных высоковязких жидкостей.

Приготовленную механическим путем грубую эмульсию часто подвергают гомогенизации, для чего ее облучают ультразвуком или продавливают под большим давлением через малые отверстия, пропускают через гомогенизатор, работающий по принципу парового свистка. При гомогенизации получают эмульсию с однородными по величине каплями мелкого размера, обладающую высокой кинетической устойчивостью. При гомогенизации также следует выбирать оптимальные условия, иначе можно разрушить эмульсию.

В последнее время пристальное внимание привлекает самопроизвольное эмульгирование в результате массопереноса эмульгатора через поверхность раздела макрофаз. В этом случае используется такой эмульгатор, который обладает растворимостью в обеих жидкостях, но лучше растворим во внешней фазе. Эмульгатор диффундирует через границу раздела фаз, захватывая мелкие капли внутренней фазы. Получаются очень устойчивые мелкодисперсные или ультрамикроскопические эмульсии.

Стабилизация эмульсий.

Если взять примерно одинаковое количество масла и воды и механическим путем, например, при перемешивании, приготовить эмульсию, то после этого произойдет быстрое расслоение. Мелкие капли эмульгированной жидкости будут сливаться в более крупные — т.е. система стремится уменьшить свободную энергию за счет уменьшения поверхности раздела фаз. Еще в 1898 г. Доннан указал, что устойчивость эмульсий должна зависеть от величины межфазного натяжения. Для снижения межфазного натяжения (или удельной межфазной свободной энергии) можно использовать поверхностно-активные вещества. Эти вещества, снижая межфазное натяжение, облегчают эмульгирование и поэтому называются эмульгаторами. После эмульгирования они располагаются на поверхности раздела фаз, образуя адсорбционный слой, препятствующий слиянию капель. Вещество, препятствующее слиянию капель, называется стабилизатором. Часто в роли стабилизатора выступают эмульгаторы. Однако есть вещества, не облегчающие эмульгирования, не обеспечивающие устойчивости получающейся эмульсии. Таковы, например, высокомолекулярные соединения и твердые порошкообразные стабилизаторы. По предложению П.А. Ребиндера все стабилизаторы были разделены на две группы:

стабилизаторы первого рода – ПАВ (поверхностно – активные вещества), или эмульгаторы, и высокомолекулярные соединения. Среди ПАВ используют желатин, сапонины и поливиниловые спирты.

стабилизаторы второго рода – порошки.

Стабилизаторы первого рода должны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и обеспечивать структурно-механическую стабилизацию, т.е. на поверхности капелек должен возникать механически прочный гелеобразный адсорбционный слой. Схема капель эмульсий приведена на рисунке (1).

Рисунок 1 – Схема капель эмульсий: а) прямая; б) обратная

Устойчивость эмульсий зависит от следующих факторов:

наличия стабилизатора, способного существенно понизить свободную энергию на границе раздела фаз;

степень покрытия поверхности капель эмульсии адсорбированными молекулами ПАВ или высокомолекулярными соединениями. Устойчивыми становятся эмульсии, поверхность капель в которых покрыта адсорбционным слоем стабилизатора не менее, чем на 60%.

Более строгой характеристикой устойчивости разбавленных и умеренно концентрированных эмульсий является постоянная скорости коалесценции. Поскольку капли коалесцируют (коагулируют) всегда попарно, то постоянная скорости коалесценции k должна рассчитываться по уравнению второго порядка. Согласно уравнению теории кинетики быстрой коагуляции Смолуховского:

где n₀ – начальное число капель в единице объема; x– число слияний (коалесценции) к моменту времени t.

В соответствии с факторами, определяющими устойчивость эмульсии, постоянная скорости k является функцией природы стабилизатора и зависит от работы десорбции стабилизатора с поверхности раздела фаз W_д, степени покрытия поверхности капли эмульсии адсорбционным слоем (g=Г/Г_m), величины объема капли (v₁) и температуры системы.

Зависимость постоянной скорости от температуры описывается уравнением:

где DE = f ( W_д, Г/Г_m, v₁, T) — потенциальный энергетический барьер отталкивания; A- предэкспоненциальный множитель; Г- равновесная адсорбция; Г_m— предельная адсорбция.

Вывод: все эмульсии являются термодинамически неустойчивыми сис

темами и требуют введения стабилизатора, природные свойства которого

обеспечат им защиту от коалесценции.

Список литературы

Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика Данилин В.Н, Шурай П.Е.1, Боровская Л.В. Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010.

Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .

Транспортировка и хранение скоропортящихся пищевых продуктов. /Данилин В.Н., Петрашев В.А., Боровская Л.В.//Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1996. № 1-2. С. 74.

Источник

Школа Кремовара. Готовим эмульсию для косметического крема. Часть 2.

Приготовление эмульсии для косметического крема своими руками. Технология приготовления эмульсии. Эмульгаторы. Прямые и обратные эмульсии. Отличия. Как избежать ошибок.

Как известно, масло в воде не растворяется. Если вы добавите в воду несколько капель, то обнаружите, что они плавают в воде.

Как же соединить эти два компонента, что бы получилась однородная масса — эмульсия.

Рассмотрим основные понятия (поиграем в химика).

1.Эмульгатор.

Эмульгатор — это обязательный компонент для приготовления домашнего крема. Поэтому будем с ним разбираться. Купить готовую основу для крема>>>

Благодаря эмульгаторам, эмульсия остается стабильной, то есть не расслаивается, остается однородной. Эмульгаторы, как правило, являются органическими соединениями. Это преимущественно растворимые вещества, обладающие свойством понижать поверхностное натяжение на границе обеих фаз (водной и масляной) эмульсии. На вид, они воскообразные в виде пластинок, стружки, горошинок.

Как устроен эмульгатор.

Эмульгатор имеет вытянутую молекулу. С одного конца она – гидрофильная, то есть притягивает к себе воду, а другой конец липофильный — притягивает масло. Эмульгатор выступает связкой между этими двумя несовместимыми веществами и не позволяет им расслаиваться. При этом после эмульгирования одна фаза например, масло в виде мелких капель распределяется во второй фазе — воде и наоборот.

В качестве эмульгаторов в косметике используются:

— различные ПАВ (поверхностно-активные вещества). Липиды, жирные спирты (в основном для моющих средств).
— натуральные эмульгаторы растительного и животного происхождения. Моно — и ди-глицериды стеариновой кислоты, лаурин
овая, олеиновая, стеариновая кислоты и др.

Эмульгаторы разделяются на два типа:

• Гидрофильные – растворяются в воде
• Липофильные – растворяются в масле.

2. Эмульсия.

Эмульсия состоит из двух или более жидких фаз. Мы будем рассматривать только двухфазную эмульсию. Фаза масляная и фаза гидрофильная (водная).

Эмульгирование — это процесс образования устойчивой (стабилизированной) эмульсии, способной сохраняться во времени, не разрушаясь.

Как делают эмульсии.

Эмульсии обычно готовят путем энергичного взбивания жирной и водной фазы. Для создания нужного типа эмульсии необходимо перед смешиванием фаз тщательно растворить эмульгатор, либо в воде, либо в масле, в зависимости от типа эмульгатора. Часто для этого требуется подогрев обеих фаз. Иногда достаточно комнатной температуры. В описании к эмульгатору указывается необходимая температура нагрева (обычно 50-70С) и рекомендации по применению. После полного растворения гидрофильного эмульгатора в воде или липофильного в масле, фазы смешиваются. Для того, чтобы процесс эмульгирования произошел удачно, температура обеих фаз должна быть одинаковой. Важно также постепенное введение внутренней фазы, которое позволяет добиться ее равномерного и полного распределения.

Примеры эмульсий в природе: молоко, млечный сок растений, кровь.

Все эмульсии делятся на два основных типа:

Прямые эмульсии — масло в воде, дисперсионной фазой ( то, в чем растворяется) которых выступает вода.

Обратные эмульсии — вода в масле, где дисперсионная фаза, соответственно — масло.

Примечание! Подробнее о дисперсии и других видах эмульсии вы можете посмотреть на химических форумах, но скорее всего, в домашнем изготовлении крема эта информация вам не пригодится.

От каких факторов зависит тип эмульсии, получаемой в результате.
— от порядка смешения фаз,
— от природы и способа введения эмульгатора,
— от техники эмульгирования.

Что может повлиять на свойства эмульгатора:

• примеси в воде и масле (хлорированная или слишком жесткая вода) (-),
• электролиты и кислоты (лимонная кислота, соль) (-),
• присутствие соэмульгаторов и загустителей (например, гуар) (+),
• температура смешиваемых фаз недостаток температуры или перегрев,
• соотношения смешиваемых фаз (не выверенная пропорция масленой и водной фазы),
• рН смешиваемых фаз , купить лакмусовую бумагу>>>
• интенсивность взбивания,
• время эмульгирования.

Прямые эмульсии «Масло – вода»:

Что такое прямая эмульсия, можно привести на примере молока. В молоке плавают капельки жира, где основная среда — вода. Если молоко попытаться разбавить маслом, то масло будет плавать на поверхности, а если водой, то вода раствориться и станет однородной с общей массой.

В Прямых эмульсиях мельчайшие капельки масла распределены в водной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (поверхностно-активные вещества) так, что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – к маслу, внутрь капли. Вокруг каждой частицы масла формируются развитые межфазные слои, которые защищают капельки масла от слияния друг с другом, а всю эмульсию от расслаивания. Другими словами, такая эмульсия будет стабильной. Они действуют охлаждающе в силу высокого содержания в них свободной воды. Они легко распределяются, быстро впитываются и обычно не оставляют после себя жирного блеска. Для однократного долговременного применения, в частности при сухой коже, прямые эмульсии непригодны, так как вследствие быстрого испарения воды они продолжают стимулировать трансэпидермальную потерю воды и тем самым усиливают высыхание кожи, поэтому их целесообразно применять попеременно с водомасляными системами.

Обладают легкой текстурой.

• Легко наносятся и быстро впитываются в кожу.
• Не оставляет жирного блеска.
• Не образуют пленки, хотя иногда и не помешало бы.
• Оказывают охлаждающее воздействие.
• Масло быстро проникает во внутренние слои.
• Являются проводником для биологически активных веществ в кожу.

Недостатки Прямых эмульсий.

• Почти не обладают барьерными функциями.
• Легко смываются водой.
• Эмульгаторы для прямых эмульсий способствуют вымыванию кожных пептидов, что приводит к разрушению кожного барьера.
• Кажется, что должны увлажнять, но в результате приводят к обезвоживанию и сухости кожи. Приходится вводить дополнительные увлажняющие средства, глицерин, гиалуроновую кислоту и др.

На основе Прямых эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:

• устранения акне,
• снятия воспалений,
• лечения дерматоза и экземы,
• создания возрастной косметики, для нормальной и комбинированной кожи, склонной к сухости,
• создания дневного крема в качестве основы под декоративную косметику.

Содержание воды в Прямых эмульсиях должно быть не менее 50%, в противном случае могут образовываться смешанные формы.

Обратные эмульсии «Вода—масло».

В обратных эмульсиях мельчайшие капельки воды распределены в масляной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (или и тем, и другим), так что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – в масляную фазу. Межфазные слои вокруг каждой капельки воды не дают им слипаться и защищают эмульсию от расслаивания. Вследствие своей липофильной внешней фазы системы типа “вода-масло” даже при высоком содержании воды являются пережиривающими системами, которые показаны преимущественно при сухой коже. При нанесении на кожу диспергированная вода высвобождается. Тонкая жировая пленка впитывается в верхние слои дермы, что позволяет предотвратить испарение влаги с поверхности и обратить ее вглубь рогового слоя кожи.

По материалам книг:
“Основы косметической химии” под редакцией Пучковой Т. В.
“Косметические кремы и эмульсии. Состав, методы получения и испытаний” Г. Кутц

Достоинства обратных эмульсий

• Считаются более физиологичными.
• Хорошо совмещаются с кожей.
• Являются хорошим проводником для водорастворимых веществ.
• Не смываются водой.
• Обладают прекрасными барьерными свойствами, особенно от атмосферных воздействий.
• Удерживают влагу, обеспечивают проникновение влаги в эпидермис. Обладают эффективным увлажняющим свойством.

Недостатки обратных эмульсий

• Трудно распределяются по коже.
• Создают ощущение жирности, липкости и тяжести на коже.
• Оставляют жирный блеск.
• Способствуют расширению пор и образованию акне.
• Не подходят для жирной кожи.

На основе обратных эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:

• лечения псориаза,
• лечения дерматозов и сухой экземы,
• лечения микозов,
• ухода за сухой кожей,
• создания ночных и питательных кремов,
• создания Косметики –УФ-фильтров,
• ухода за чувствительной кожей,
• ухода за детской кожей.

Обратная эмульсия образуется непосредственно при добавлении воды в масляный раствор эмульгатора. Эти условия, выполняются только при введении небольших количеств воды, буквально по капле. То есть в масленую фазу постепенно, маленькими частями, по каплям вводится водная фаза. Добавляемая вода не должна скапливаться на поверхности, а должна уходить «вовнутрь», в масло, при постоянном перемешивании.
В противном случае может произойти обращение фаз и получится прямая эмульсия, которая вдобавок может оказаться нестабильной.

Важное замечание: Обратная эмульсия получается только при наличии специального эмульгатора, а не из-за смены очереди добавления компонентов! Считается, что сделать обратную эмульсию в домашних условиях, гораздо сложнее. Эти эмульсии создаются при наличии специальных эмульгаторов и оборудования.

Проценты соотношений:

• Процент масляной фазы 60-80%, (где, 60% более оптимальное количество)
• Процент эмульгатора 5-10% от водной фазы
• Водная фаза 20-30%. Чем выше процент воды, тем более вязкой и менее стабильно получиться ваша эмульсия.

Чтобы стабилизировать обратные эмульсии можно применять (

• Физраствор (водный раствор хлорида натрия).
• Глицерин в пределах концентрации 3-15%.
• Воск пчелиный (для тяжелых кремов).
• Карнаубский воск.
• Масло сального дерева.
• Камеди (добавляется в водную фазу).
• Эмульгаторы для обратных эмульсий.
• Ланолин.

Эмульгаторы для обратных эмульсий:

• сорбитан стеарат / спан-60
• Sorbitan Olivate(сорбитан Оливат) HLB = 4.7.
• Монтанов 68
• Никкомульс WO NS
• Hostacerin (Хостацерин)

Несколько советов для домашнего теста на тип эмульсии.
— прямая эмульсия легко смешивается с водой, обратная – с маслом.
— если крем капнуть на парафин и капля растекается, то эмульсия обратная, если нет, то прямая.
— прямая эмульсия легко смывается водой, обратная — оставляет жирную пленку на коже.
— если крем растворяется в воде, то он является прямой эмульсией, если в масле — обратной эмульсией.

Ответы специалистов на часто задаваемые вопросы:

1.Как проверить, что получилась обратная эмульсия?

Если капнуть каплю в кипяток, то она останется в том же виде, не раствориться и не распадется.

2.Если эмульсия получилась густая, значит она получилась обратная?

Нет. Прямая эмульсия так же может быть густой!

3. Какой эмульгатор подойдет для домашнего применения?

Не все эмульгаторы для этого пригодны. Нужно брать тот, который рекомендован для домашнего использования.

Источник