Эмульсии – дисперсные системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых распределяется в другой в виде мельчайших капелек. Обе жидкие фазы эмульсии сильно отличаются по своей природе. Если одна фаза образована полярной жидкостью, то другая – неполярная жидкость. Различают два основных типа эмульсий – дисперсии масла в воде (м/в) и дисперсии воды в масле (в/м). Первые относятся к эмульсиям прямого типа или первого рода, вторые – к эмульсиям обратного типа или второго рода.
В зависимости от условий получения может образоваться прямая или обратная эмульсия. При изменений условий один тип эмульсии может превратиться в другой: в/м ↔ м/в. Это явление носит название обращения фаз эмульсий.
В зависимости от содержания дисперсной фазы эмульсии классифицируют на разбавленные (содержание дисперсной фазы менее 1% по объему), концентрированные (до 74 % объема) и высококонцентрированные (свыше 74 % объема).
Эмульсии можно получить методами конденсации или диспергирования. Разновидностями дисперсионного метода являются метод прерывистого встряхивания и механическое диспергирование с помощью роторно-пульсационных аппаратов, гомогенизаторов и т. п.
Пределом эмульгирования считается момент, когда добавленная очередная порция жидкости не диспергируется, а образует крупные капли и прожилки в объеме эмульсии.
Эмульсии – типично лиофобные дисперсные системы. Потеря их агрегативной устойчивости может быть обусловлена процессами изотермической перегонки или коагуляции (коалесценции капель) и обычно сопровождается потерей седиментационной устойчивости (расслоение системы). В качестве меры устойчивости эмульсии можно принять время существования определенного объема эмульсии до полного ее расслоения.
Устойчивость эмульсии повышают введением в систему стабилизатора (эмульгатора), в качестве которого можно использовать электролиты, ПАВ и высокомолекулярные соединения. Агрегативная устойчивость эмульсий определяется теми же факторами, которые обуславливают устойчивость к коагуляции других лиофобных дисперсных систем.
Разбавленные эмульсии могут быть достаточно устойчивы в присутствии таких слабых эмульгаторов, как электролиты. Устойчивость этих эмульсий связана в основном с наличием двойного электрического слоя на частицах дисперсной фазы. Устойчивость концентрированных и высококонцентрированных эмульсий в большинстве случаев определяется действием структурно-механического барьера при образовании адсорбционных слоев эмульгатора. Образующиеся межфазные адсорбционные слои обуславливают плавное изменение свойств переходной зоны на границе раздела двух жидких фаз, увеличивая лиофильность частиц дисперсной фазы. Наиболее сильное стабилизирующее действие оказывают высокомолекулярные соединения и коллоидные ПАВ (мыла, неионогенные ПАВ), адсорбционные слои которых имеют гелеобразную структуру и сильно гидратированны.
Тип эмульсии, образующийся при механическом диспергировании, в значительной степени зависит от соотношения объемов фаз. Жидкость, содержащаяся в большем объеме, обычно становиться дисперсионной средой.
При равных объемах двух жидкостей при диспергировании возникают эмульсии обоих типов, сохраняется их них та, которая имеет более высокую агрегативную устойчивость и определяется природой эмульгатора. Особый случай представляет стабилизация эмульсий высокодисперсными порошками. Такая стабилизация возможна при ограниченном избирательном смачивании порошков (при краевом угле θ больше 0о, но меньше 180 град). При этом порошки лучше стабилизируют ту фазу, которая хуже смачивается. Так, гидрофильный мел «бронирует» масляную фазу и не позволяет коалесцировать каплям масла в водной дисперсионной среде.
На практике тип эмульсий определяют следующими методами. По методу разбавления каплю эмульсии вносят в пробирку с водой. Если капля равномерно распределяется в воде, – это эмульсия м/в. Капля эмульсии в/м диспергироваться в воде не будет. Согласно методу окрашивания непрерывной фазы несколько кристаллов водорастворимого красителя, например, метилового оранжевого или метиленового синего окрашивают эмульсию м/в равномерно по всему объему. Эмульсия в/м равномерно окрашивается по всему объему жирорастворимыми красителями. Тип эмульсий можно определить также по ее электропроводности (метод электропроводности). Высокое значение электропроводности указывает на то, что дисперсионной средой является полярная жидкость, а эмульсия относится а типу м/в. Малые значения электропроводности показывают на образование обратной эмульсии (типа в/м).
При взбалтывании толуола с водой образуется эмульсия, которая быстро расслаивается. Для придания устойчивости эмульсии взбалтывание необходимо вести в присутствии эмульгатора, в данном случае — мыла. Стабилизирующее действие мыла при образовании эмульсии вызывается строением адсорбционных слоев на границе двух фаз. Молекулы электрически полярных соединений (молекулы мыла) располагаются в пограничном слое в строго определенном порядке. Электрически полярная (несущая заряд) часть молекулы всегда обращена к воде. Молекулы мыла имеют ясно выраженный полярный характер, их строение можно изобразить формулой R–COONa, в которой R обозначает углеводородный радикал. Полярность молекулам мыла придает группа –COONa, способная к электролитической диссоциации: получаются ионы R–СОО– и Na+.
Аналогичной схемой можно объяснить образование устойчивой эмульсии масла в воде в присутствии буры.
На практике часто возникает необходимость выделить из эмульсии ее составные части, т.е. разрушить эмульсию (деэмульгирование). Разрушение эмульсии может произойти в результате трех процессов: седиментации, коалесценции и инверсии (обращения фаз).
Седиментация – это всплывание или оседание капель дисперсной фазы. При этом не происходит полного разрушения эмульсии, а образуется две эмульсии, одна из которых богаче дисперсной фазой, чем другая. Например, этот процесс происходит при отделение сливок от молока.
Коалесценция – полное разрушение эмульсии (слипание капелек), приводящее к выделению в чистом виде обеих фаз жидкости.
Инверсия (обращение фаз) – это превращение эмульсии одного типа в другой путем добавления к ней большого количества эмульгатора другого рода при энергичном перемешивании. При этом дисперсная фаза становиться дисперсионной средой, а дисперсионная среда – дисперсной фазой. Например, инверсию прямой эмульсии, стабилизированной олеатом натрия (гидрофильным эмульгатором), можно вызвать добавлением олеата кальция (гидрофобного эмульгатора). Такой же эффект наблюдается при введении в эмульсию при энергичном перемешивании раствора хлорида кальция, который взаимодействуя с олеатом натрия, образует олеат кальция.