Czynniki wpływające na stabilność emulsji
W zastosowaniach praktycznych stabilność emulsji odnosi się do zdolności kropel fazy rozproszonej do przeciwdziałania koalescencji. Spośród wskaźników stabilności emulsji, szybkość koalescencji kropel rozproszonych jest kluczowa; można ją określić, mierząc, jak zmienia się liczba kropel na jednostkę objętości w czasie. Ponieważ krople w emulsji łączą się w większe, co ostatecznie prowadzi do ich rozbicia, szybkość tego procesu zależy głównie od następujących czynników: właściwości fizycznych warstwy międzyfazowej, odpychania elektrostatycznego między kroplami, przeszkód przestrzennych ze strony warstw polimerowych, lepkości fazy ciągłej, wielkości i rozkładu kropel, stosunku objętości faz, temperatury itd.
Najistotniejsze z nich to fizyczna natura warstwy międzyfazowej, oddziaływania elektryczne i przeszkoda przestrzenna.
(1) Właściwości fizyczne filmu międzyfazowego
Zderzenia kropel fazy rozproszonej są warunkiem koniecznym koalescencji. Koalescencja postępuje nieustannie, kurcząc małe kropelki w większe, aż do rozerwania emulsji. W trakcie zderzeń i łączenia, wytrzymałość mechaniczna filmu międzyfazowego kropli jest najważniejszym czynnikiem decydującym o stabilności emulsji. Aby zapewnić filmowi międzyfazowemu znaczną wytrzymałość mechaniczną, musi on być spójny – cząsteczki surfaktantu w jego składzie muszą być połączone silnymi siłami bocznymi. Film musi również charakteryzować się dobrą elastycznością, aby w przypadku lokalnych uszkodzeń spowodowanych zderzeniami kropel mógł się spontanicznie naprawić.
(2) Interakcje elektryczne
Powierzchnie kropel w emulsjach mogą nabywać określone ładunki z różnych powodów: jonizacji surfaktantów jonowych, adsorpcji określonych jonów na powierzchni kropli, tarcia między kroplami a otaczającym medium itp. W emulsjach typu olej w wodzie (O/W) ładunek kropel odgrywa kluczową rolę w zapobieganiu agregacji, koalescencji i ewentualnemu rozpadowi. Zgodnie z teorią stabilności koloidów, siły van der Waalsa przyciągają krople do siebie; jednak gdy krople zbliżają się na tyle blisko, że ich powierzchniowe warstwy podwójne nachodzą na siebie, odpychanie elektrostatyczne utrudnia dalsze zbliżenie. Oczywiste jest, że jeśli odpychanie przeważa nad przyciąganiem, krople są mniej podatne na zderzenia i koalescencję, a emulsja pozostaje stabilna; w przeciwnym razie następuje koalescencja i rozpad.
W przypadku emulsji typu woda w oleju (W/O) krople wody mają niewielki ładunek, a ponieważ faza ciągła ma niską stałą dielektryczną i grubą warstwę podwójną, efekty elektrostatyczne wywierają tylko niewielki wpływ na stabilność.
(3) Stabilizacja steryczna
Gdy polimery pełnią funkcję emulgatorów, warstwa międzyfazowa staje się znacznie grubsza, tworząc wokół każdej kropli solidną liofilową osłonę – barierę przestrzenną, która uniemożliwia kropelkom zbliżanie się i kontakt. Liofilowa natura cząsteczek polimerów powoduje również uwięzienie znacznej ilości cieczy w fazie ciągłej w warstwie ochronnej, nadając jej konsystencję żelu. W konsekwencji obszar międzyfazowy charakteryzuje się zwiększoną lepkością i korzystną lepkosprężystością, co pomaga zapobiegać łączeniu się kropel i zachować stabilność. Nawet jeśli wystąpi pewna koalescencja, emulgatory polimerowe często gromadzą się na zmniejszonej powierzchni międzyfazowej w postaci włóknistej lub krystalicznej, zagęszczając film międzyfazowy i tym samym zapobiegając dalszej koalescencji.
(4) Jednorodność rozkładu wielkości kropel
Gdy dana objętość fazy rozproszonej zostanie rozbita na krople o różnych rozmiarach, układ składający się z większych kropli ma mniejszą całkowitą powierzchnię międzyfazową, a tym samym niższą energię międzyfazową, co zapewnia większą stabilność termodynamiczną. W emulsji, w której współistnieją krople zarówno dużych, jak i małych rozmiarów, małe krople mają tendencję do kurczenia się, podczas gdy duże rosną. Jeśli ten proces będzie kontynuowany bez kontroli, w końcu nastąpi rozbicie. Zatem emulsja o wąskim, jednorodnym rozkładzie wielkości kropli jest bardziej stabilna niż emulsja o takiej samej średniej wielkości kropli, ale szerokim zakresie wielkości.
(5) Wpływ temperatury
Zmiany temperatury mogą zmieniać napięcie międzyfazowe, właściwości i lepkość warstwy międzyfazowej, względną rozpuszczalność emulgatora w obu fazach, prężność par faz ciekłych oraz ruch termiczny rozproszonych kropelek. Wszystkie te zmiany mogą wpływać na stabilność emulsji, a nawet powodować inwersję lub rozpad faz.
Czas publikacji: 27-11-2025