Emulsioiden stabiiliutta säätelevät tekijät
Käytännön sovelluksissa emulsion stabiilius viittaa dispersiofaasin pisaroiden kykyyn vastustaa yhteenkasvamista. Emulsion stabiilisuuden mittaamisessa käytettävien mittareiden joukossa dispersiofaasin pisaroiden yhteenkasvamisnopeus on ensiarvoisen tärkeä; se voidaan määrittää mittaamalla, miten pisaroiden määrä tilavuusyksikköä kohti muuttuu ajan kuluessa. Kun emulsion pisarat sulautuvat suuremmiksi ja lopulta johtavat hajoamiseen, tämän prosessin nopeus riippuu pääasiassa seuraavista tekijöistä: rajapintakalvon fysikaaliset ominaisuudet, pisaroiden välinen sähköstaattinen hylkiminen, polymeerikalvojen aiheuttama steerinen este, jatkuvan faasin viskositeetti, pisaran koko ja jakauma, faasitilavuussuhde, lämpötila ja niin edelleen.
Näistä rajapintakalvon fysikaalinen luonne, sähköiset vuorovaikutukset ja steerinen este ovat kriittisimpiä.
(1) Rajapintakalvon fysikaaliset ominaisuudet
Dispersiofaasissa olevien pisaroiden törmäys on edellytys yhteenkasvamiselle. Koalesenssi etenee lakkaamatta kutistaen pieniä pisaroita suuremmiksi, kunnes emulsio rikkoutuu. Törmäyksen ja yhteenkasvamisen aikana pisaran rajapintakalvon mekaaninen lujuus on emulsion vakauden tärkein määräävä tekijä. Jotta rajapintakalvolla olisi huomattava mekaaninen lujuus, sen on oltava koherentti kalvo – sen sisältämät pinta-aktiiviset molekyylit on sidottu yhteen voimakkaiden sivuttaisvoimien avulla. Kalvon on myös oltava joustava, jotta se voi korjautua itsestään, kun pisaroiden törmäyksistä aiheutuu paikallisia vaurioita.
(2) Sähköiset vuorovaikutukset
Emulsioiden pisarapinnat voivat varautua useista syistä: ionisten pinta-aktiivisten aineiden ionisaatio, tiettyjen ionien adsorptio pisaran pinnalle, pisaroiden ja ympäröivän väliaineen välinen kitka jne. Öljy-vedessä (O/W) -emulsioissa pisaroiden varauksella on tärkeä rooli aggregaation, yhteenkasvamisen ja lopulta hajoamisen estämisessä. Kolloidistabiiliusteorian mukaan van der Waalsin voimat vetävät pisaroita yhteen; mutta kun pisarat lähestyvät toisiaan riittävän lähelle, jotta niiden pintakerrokset limittyvät, sähköstaattinen hylkiminen estää lisälähestymistä. On selvää, että jos hylkiminen on suurempi kuin vetovoima, pisarat törmäävät ja kasaantuvat vähemmän helposti, ja emulsio pysyy vakaana; muuten seurauksena on yhteenkasvaminen ja hajoaminen.
Vesi-öljy-emulsioiden (W/O) tapauksessa vesipisarat kantavat vähän varausta, ja koska jatkuvalla faasilla on alhainen dielektrinen vakio ja paksu kaksoiskerros, sähköstaattiset vaikutukset vaikuttavat stabiilisuuteen vain vähän.
(3) Steerinen stabilointi
Kun polymeerit toimivat emulgointiaineina, rajapintakerros paksuuntuu huomattavasti muodostaen jokaisen pisaran ympärille kestävän kylmäkuivatun suojan – tilallisen esteen, joka estää pisaroita pääsemästä lähelle ja olemasta kosketuksissa toisiinsa. Polymeerimolekyylien kylmäkuivattu luonne vangitsee myös huomattavan määrän jatkuvan faasin nestettä suojakerroksen sisään, mikä tekee siitä geelimäisen. Tämän seurauksena rajapinta-alueella on kohonnut rajapinnan viskositeetti ja suotuisa viskoelastisuus, mikä auttaa estämään pisaroiden yhteenkasvamisen ja säilyttämään vakauden. Vaikka jonkin verran yhteenkasvamista tapahtuisikin, polymeeriemulgointiaineet kokoontuvat usein pienentyneelle rajapinnalle kuitumaiseksi tai kiteiseksi muodoksi, sakeuttaen rajapintakalvoa ja siten estämällä lisäkoalesenssia.
(4) Pisarakokojakauman tasaisuus
Kun tietty tilavuus dispersiofaasia hajoaa erikokoisiksi pisaroiksi, suuremmista pisaroista koostuvalla järjestelmällä on pienempi kokonaisrajapinta-ala ja siten pienempi rajapintaenergia, mikä antaa sille suuremman termodynaamisen stabiilisuuden. Emulsiossa, jossa esiintyy sekä suuria että pieniä pisaroita, pienet pisarat yleensä kutistuvat, kun taas suuret kasvavat. Jos tämä kehitys jatkuu hallitsemattomasti, lopulta tapahtuu hajoamista. Näin ollen emulsio, jolla on kapea ja tasainen pisarakokojakauma, on vakaampi kuin sellainen, jonka keskimääräinen pisarakoko on sama, mutta jonka kokoalue on laaja.
(5) Lämpötilan vaikutus
Lämpötilan vaihtelut voivat muuttaa rajapintajännitystä, rajapintakalvon ominaisuuksia ja viskositeettia, emulgointiaineen suhteellista liukoisuutta kahdessa faasissa, nestemäisten faasien höyrynpainetta ja dispergoituneiden pisaroiden lämpöliikettä. Kaikki nämä muutokset voivat vaikuttaa emulsion stabiilisuuteen ja jopa aiheuttaa faasien inversiota tai hajoamista.
Julkaisuaika: 27.11.2025