ما هي العوامل التي تساهم في استقرار المستحلب؟

العوامل المؤثرة على استقرار المستحلبات​

في التطبيقات العملية، تشير استقرارية المستحلب إلى قدرة قطرات الطور المنتشر على مقاومة الاندماج. ومن بين المقاييس المستخدمة لتقييم استقرارية المستحلب، يُعد معدل اندماج القطرات المنتشرة بالغ الأهمية؛ إذ يُمكن تحديده بقياس كيفية تغير عدد القطرات في وحدة الحجم مع مرور الوقت. ومع اندماج قطرات المستحلب لتكوين قطرات أكبر، مما يؤدي في النهاية إلى تفككه، فإن سرعة هذه العملية تعتمد بشكل أساسي على العوامل التالية: الخصائص الفيزيائية للغشاء البيني، والتنافر الكهروستاتيكي بين القطرات، والإعاقة الفراغية الناتجة عن أغشية البوليمر، ولزوجة الطور المستمر، وحجم القطرات وتوزيعها، ونسبة حجم الطور، ودرجة الحرارة، وما إلى ذلك.

ومن بين هذه العوامل، تعتبر الطبيعة الفيزيائية للغشاء البيني والتفاعلات الكهربائية والإعاقة الفراغية هي الأكثر أهمية.

(1) الخصائص الفيزيائية للغشاء البيني

يُعدّ تصادم قطرات الطور المنتشر شرطًا أساسيًا لعملية الاندماج. وتستمر هذه العملية باستمرار، حيث تتقلص القطرات الصغيرة لتُشكّل قطرات أكبر حتى ينفصل المستحلب. وخلال عملية التصادم والاندماج، تُعتبر المتانة الميكانيكية للغشاء البيني للقطرة العاملَ الأهم في تحديد استقرار المستحلب. ولإضفاء متانة ميكانيكية كبيرة على هذا الغشاء، يجب أن يكون متماسكًا، أي أن جزيئات المادة الفعالة سطحيًا المكونة له مرتبطة ببعضها البعض بقوى جانبية قوية. كما يجب أن يتمتع الغشاء بمرونة جيدة، بحيث يُمكنه إصلاح نفسه تلقائيًا عند حدوث تلف موضعي نتيجة تصادم القطرات.

(2) التفاعلات الكهربائية

قد تكتسب أسطح القطرات في المستحلبات شحنات معينة لأسباب مختلفة، منها: تأين المواد الفعالة بالسطح الأيونية، وامتزاز أيونات محددة على سطح القطرة، والاحتكاك بين القطرات والوسط المحيط، وغيرها. في مستحلبات الزيت في الماء، يلعب شحن القطرات دورًا حيويًا في منع التكتل والاندماج والانفصال في نهاية المطاف. وفقًا لنظرية استقرار الغرويات، تجذب قوى فان دير فالس القطرات معًا؛ ولكن عندما تقترب القطرات بدرجة كافية لتتداخل طبقاتها المزدوجة السطحية، يعيق التنافر الكهروستاتيكي تقاربها أكثر. من الواضح أنه إذا فاق التنافر قوة التجاذب، تقل احتمالية تصادم القطرات واندماجها، ويبقى المستحلب مستقرًا؛ وإلا، يحدث الاندماج والانفصال.

أما بالنسبة لمستحلبات الماء في الزيت (W/O)، فإن قطرات الماء تحمل شحنة ضئيلة، ولأن الطور المستمر له ثابت عازل منخفض وطبقة مزدوجة سميكة، فإن التأثيرات الكهروستاتيكية لا تمارس سوى تأثير طفيف على الاستقرار.

(3) التثبيت الفراغي

عندما تعمل البوليمرات كمستحلبات، تصبح الطبقة البينية أكثر سمكًا بشكل ملحوظ، مُشكّلةً درعًا قويًا محبًا للماء حول كل قطرة - حاجزًا مكانيًا يمنع القطرات من الاقتراب والتلامس. كما أن الطبيعة المحبة للماء لجزيئات البوليمر تحبس كمية كبيرة من السائل ذي الطور المستمر داخل الطبقة الواقية، مما يجعلها شبيهة بالهلام. ونتيجةً لذلك، تُظهر المنطقة البينية لزوجة بينية عالية ومرونة لزجة ملائمة، مما يساعد على منع اندماج القطرات والحفاظ على استقرارها. حتى في حال حدوث بعض الاندماج، غالبًا ما تتجمع مستحلبات البوليمر عند السطح البيني المُصغّر في أشكال ليفية أو بلورية، مما يزيد من سُمك الغشاء البيني وبالتالي يمنع المزيد من الاندماج.

(4) تجانس توزيع حجم القطرات

عندما ينقسم حجم معين من الطور المنتشر إلى قطرات بأحجام مختلفة، فإن النظام الذي يتكون من قطرات أكبر حجماً يتميز بمساحة سطحية إجمالية أصغر، وبالتالي طاقة سطحية أقل، مما يمنحه استقراراً ديناميكياً حرارياً أكبر. في المستحلبات التي تتعايش فيها قطرات كبيرة وصغيرة الحجم، تميل القطرات الصغيرة إلى الانكماش بينما تنمو القطرات الكبيرة. إذا استمر هذا التطور دون رادع، فسيحدث التفكك في النهاية. لذا، فإن المستحلب ذو التوزيع الضيق والمتجانس لأحجام القطرات يكون أكثر استقراراً من مستحلب يكون فيه متوسط ​​حجم القطرات متساوياً ولكن نطاق أحجامها واسع.

(5) تأثير درجة الحرارة

يمكن أن تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى تغيير التوتر السطحي، وخصائص ولزوجة الغشاء السطحي، والذوبانية النسبية للمستحلب في الطورين، وضغط بخار الطورين السائلين، والحركة الحرارية للقطرات المتناثرة. كل هذه التغيرات قد تؤثر على استقرار المستحلب، بل وقد تؤدي إلى انقلاب الطور أو تفككه.