Факторы, определяющие стабильность эмульсий
В практических приложениях стабильность эмульсии определяется способностью капель дисперсной фазы противостоять коалесценции. Среди показателей стабильности эмульсии скорость коалесценции дисперсных капель имеет первостепенное значение; её можно определить, измеряя изменение количества капель на единицу объема с течением времени. Поскольку капли в эмульсии сливаются в более крупные и в конечном итоге разрушаются, скорость этого процесса в основном зависит от следующих факторов: физических свойств межфазной пленки, электростатического отталкивания между каплями, стерических препятствий со стороны полимерных пленок, вязкости непрерывной фазы, размера и распределения капель, соотношения объемов фаз, температуры и т. д.
Из них наиболее важными являются физическая природа межфазной пленки, электрические взаимодействия и стерические препятствия.
(1) Физические свойства межфазной пленки
Столкновения капель дисперсной фазы являются необходимым условием для коалесценции. Коалесценция происходит непрерывно, уменьшая мелкие капли до более крупных, пока эмульсия не разрушится. В процессе столкновения и слияния механическая прочность межфазной пленки капель является важнейшим фактором, определяющим стабильность эмульсии. Чтобы наделить межфазную пленку существенной механической прочностью, она должна быть когерентной — ее составляющие молекулы поверхностно-активного вещества должны быть связаны между собой сильными боковыми силами. Пленка также должна обладать хорошей эластичностью, чтобы при локальном повреждении в результате столкновений капель она могла самопроизвольно восстанавливаться.
(2) Электрические взаимодействия
Поверхности капель в эмульсиях могут приобретать определенные заряды по различным причинам: ионизация ионных поверхностно-активных веществ, адсорбция специфических ионов на поверхности капель, трение между каплями и окружающей средой и т. д. В эмульсиях типа «масло в воде» (O/W) заряд капель играет жизненно важную роль в предотвращении агрегации, коалесценции и последующего разрушения. Согласно теории стабильности коллоидов, силы Ван дер Ваальса притягивают капли друг к другу; однако, когда капли сближаются настолько, что их двойные поверхностные слои перекрываются, электростатическое отталкивание препятствует дальнейшему сближению. Очевидно, что если отталкивание перевешивает притяжение, капли менее склонны к столкновениям и коалесценции, и эмульсия остается стабильной; в противном случае происходит коалесценция и разрушение.
Что касается эмульсий типа «вода в масле» (W/O), то капли воды несут незначительный заряд, а поскольку непрерывная фаза имеет низкую диэлектрическую постоянную и толстый двойной слой, электростатические эффекты оказывают лишь незначительное влияние на стабильность.
(3) Стерическая стабилизация
Когда полимеры выступают в качестве эмульгаторов, межфазный слой значительно утолщается, образуя прочный лиофильный экран вокруг каждой капли — пространственный барьер, препятствующий сближению капель и их контакту. Лиофильная природа молекул полимеров также удерживает значительное количество жидкости непрерывной фазы внутри защитного слоя, придавая ему гелеобразную форму. Следовательно, межфазная область демонстрирует повышенную межфазную вязкость и благоприятную вязкоупругость, что помогает предотвратить слияние капель и сохранить стабильность. Даже если происходит некоторое слияние, полимерные эмульгаторы часто собираются на уменьшенной границе раздела фаз в волокнистые или кристаллические формы, утолщая межфазную пленку и тем самым предотвращая дальнейшее слияние.
(4) Равномерность распределения размеров капель
Когда заданный объем дисперсной фазы разбивается на капли различного размера, система, состоящая из более крупных капель, имеет меньшую общую площадь поверхности раздела фаз и, следовательно, меньшую поверхностную энергию, что обеспечивает большую термодинамическую стабильность. В эмульсии, где сосуществуют капли как больших, так и малых размеров, мелкие капли имеют тенденцию к уменьшению, а большие — к увеличению. Если этот процесс будет продолжаться бесконтрольно, в конечном итоге произойдет разрушение. Следовательно, эмульсия с узким, равномерным распределением размеров капель более стабильна, чем эмульсия, средний размер капель которой одинаков, но диапазон размеров широк.
(5) Влияние температуры
Изменения температуры могут влиять на поверхностное натяжение, свойства и вязкость межфазной пленки, относительную растворимость эмульгатора в двух фазах, давление пара жидких фаз и тепловое движение диспергированных капель. Все эти изменения могут повлиять на стабильность эмульсии и даже вызвать инверсию фаз или их разрушение.
Дата публикации: 27 ноября 2025 г.