Makroemulsiya - Macroemulsion

Makroemulsiyalar - zarracha kattaligi 5-140 nm gacha bo'lgan bir hil shaffof termodinamik beqaror tizimlar, ular to'g'ri nisbatda aralashganda o'z-o'zidan paydo bo'ladi. Makroemulsiyalar yorug'likni samarali ravishda tarqatadi va shuning uchun sutli ko'rinadi, chunki ularning tomchilari yorug'lik to'lqin uzunligidan kattaroqdir.[1] Ular katta oilaning bir qismidir emulsiyalar bilan birga mikroemulsiyalar. Hammada bo'lgani kabi emulsiyalar, bitta faza tarqatuvchi vosita bo'lib xizmat qiladi. U ko'pincha uzluksiz yoki tashqi faza deb ataladi. Qolgan faza (lar) dispers yoki ichki faza (lar) dir, chunki suyuqlik tomchilari katta uzluksiz faza tomchilari orasida mayda taqsimlanadi.[2] Ushbu turdagi emulsiya termodinamik jihatdan beqaror, ammo dasturlari yordamida bir muddat barqarorlashishi mumkin kinetik energiya.[1] Sirt faol moddalar (emulsifikatorlar ) kamaytirish uchun ishlatiladi yuzalararo taranglik ikki qatlam o'rtasida va foydali vaqt davomida makroemulsiya barqarorligini keltirib chiqaradi.

IUPAC ta'rifi
Zarralari bo'lgan emulsiya tarqalgan faza diametri taxminan 1 dan 100 mkm gacha.

Izoh 1: Ibratli-emulsiyalar katta tomchilarni o'z ichiga oladi va shu tariqa, tomchilar dispers faza va dispersiya muhitining zichligiga qarab cho'kindi yoki suzadi. Tarqoqlarni ajratish va doimiy fazalar odatda suyuqlik muhitining yopishqoqligi va tomchilarning kattaligi va zichligiga qarab bir necha soniyadan bir necha soatgacha bo'lgan vaqt oralig'ida sodir bo'ladi.

Izoh 2: Makro-emulsiyalarda odatda past molekulyar yoki polimer sirt faol moddalar mavjud bo'lib, ular dispers tomchilarning birlashish tezligini pasaytiradi. Dispers fazaning tomchilari qattiq zarrachalarning sirtiga adsorbsiyalanishi bilan ham barqarorlashishi mumkin (Pickering stabillashishi deb ataladi).[3]

Tasnifi

Makroemulsiyalarni bitta bo'lsa, ularni ikkita asosiy toifaga bo'lish mumkin emulsiya yoki ikki yoki ko'p emulsiya guruh. Ikkala toifalar odatdagi yog '(O) va suv (V) yordamida tavsiflanadi. aralashmaydigan suyuqlik juftligi. Yagona emulsiyalar sub ikki xil turga bo'linishi mumkin. Har bir singl uchun emulsiya bitta sirt faol moddasi barqarorlashtiruvchi qatlam a sifatida mavjud bufer ikki qatlam o'rtasida. (O / V) da yog 'tomchilari suvga tarqaladi. Boshqa tomondan, (W / O) yog'da mayda sochilgan suv tomchilarini o'z ichiga oladi. Ikki yoki ko'p emulsiya tasnifi bitta emulsiya tasnifiga o'xshaydi, faqat aralashmaydigan fazalar kamida ikkita sirt faol moddalar yupqa plyonkalari bilan ajralib turadi. (W / O / W) kombinatsiyasida, an aralashmaydigan Yog 'fazasi ikki alohida suv fazasi o'rtasida mavjud. Aksincha, (O / W / O) kombinatsiyasida aralashmaydigan suv fazasi ikki xil yog 'fazasini ajratib turadi.[1]

Rasm A (O / V) emulsiyasi. Rasm B - bu (V / O) emulsiya. Image C - bu W / O / W ko'p emulsiya guruhi. Rasm D - bu (O / W / O) ko'p emulsiya guruhi.

Shakllanish

Makroemulsiyalar turli yo'llar bilan hosil bo'ladi. Chunki ular yo'q termodinamik jihatdan barqaror, ular o'z-o'zidan paydo bo'lmaydi va aks holda mexanik ravishda aralashtirish uchun biron bir tarzda aralashtirish yoki chayqash shaklida energiya sarfini talab qiladi. aralashmaydigan Bosqichlar. Natijada paydo bo'lgan makroemulsiyalar hajmi, fazalarni aralashtirish uchun qancha energiya sarflanganiga, yuqori energiyali aralashtirish usullari bilan kichik emulsiya zarralariga olib keladi. Buning uchun zarur bo'lgan energiyani quyidagi tenglama yordamida taxmin qilish mumkin:

[4]

Qaerda energiya manbai, bu ikki faza orasidagi fazaviy taranglik, bu aralashmaning umumiy hajmi va yangi yaratilgan emulsiyalarning o'rtacha radiusi

Ushbu tenglama faqat zarralarni ajratish uchun energiya talabini beradi. Amalda energiya narxi ancha yuqori, chunki mexanik energiyaning katta qismi shunchaki aylantiriladi issiqlik fazalarni aralashtirishdan ko'ra.

Ikki suyuqlik o'rtasida emulsiyalar hosil qilishning boshqa usullari mavjud, masalan, allaqachon kerakli hajmdagi tomchilar bilan bitta fazani qo'shish.

An emulsiya qiluvchi vosita odatda biron bir turdagi talab qilinadi. Bu kamaytirish orqali emulsiyalar hosil bo'lishiga yordam beradi yuzalararo taranglik ikki faza o'rtasida, odatda a vazifasini bajaradi sirt faol moddasi va adsorbsiyalash interfeysga. Bu ishlaydi, chunki ko'pchilik emulsifikatorlar a hidrofilik va hidrofob yon tomoni, ya'ni ular moyga o'xshash faza bilan ham, suvga o'xshash faza bilan ham bog'lanib, sirtdagi suv moyi molekulyar ta'sirining sonini kamaytiradi. Ushbu o'zaro ta'sirlar sonini kamaytirish interfeyslararo energiyani pasaytiradi va shu bilan emulsiyalar barqarorlashadi. Odatda, ning kontsentratsiyasi sirt faol moddasi kerak bo'lsa, ko'pincha yoki yuqorida miselning kritik konsentratsiyasi (CMC).[2] Bu shakllanadi sirt faol moddasi sirtini hajm nisbati minimallashtirishga yo'naltirilgan bir qatlam. Ushbu nisbat 0,1 dan 10 mkm oralig'ida yuqori polidisprizli sferik tomchilarni beradi.[2] Ichki qatlam tomchilari uchun ma'lum o'lchamdagi tomchini topish ehtimoli (P) ni quyidagi tenglama orqali hisoblash mumkin:

bu erda R - tomchi radiusi, o'rtacha radius va standart og'ishdir.

Qaysi faza uzluksiz faza va qaysi faza dispers faza ekanligini aniqlash yordamida Bankroft qoidasi ikki faza o'xshash mol qismlariga ega bo'lganda. Ushbu qoida emulsifikator eng ko'p bo'lgan fazani bildiradi eriydi ichida bo'ladi doimiy faza, hatto kichikroq bo'lsa ham hajm ulushi umuman olganda. Masalan, 60% Suv va 40% Yog 'bo'lgan aralash emulsiya hosil qilishi mumkin, bu erda suv dispers faza, yog' esa doimiy faza bo'lib, agar emulsifikator yog'da ko'proq eriydi. Buning sababi shundaki, uzluksiz faz - bu aralashtirishda eng tez birlashadigan faza, ya'ni bu faza tarqoq emulsifikatsiya qiluvchi vosita o'z interfeysidan uzoqda va ichiga kiradi ommaviy eng tezkor. Ushbu qoida 100% aniq emas, lekin shunga o'xshash kompozitsiyalar bilan aralashmalar uchun yaxshi qoidadir. Katta miqdordagi bir fazali aralashmalar uchun eng katta faza doimiy fazaga aylanadi.

Barqarorlik

Makroemulsiyalar, ta'rifi bo'yicha, termodinamik jihatdan barqaror emas. Bu shuni anglatadiki, ular yaratilgan paytdan boshlab har doim o'zlarining asl, aralashmaydigan va alohida holatlariga qaytmoqdalar. Makroemulsiyalar mavjud bo'lishining sababi, ular termodinamik jihatdan emas, balki kinetik jihatdan barqarordir. Bu shuni anglatadiki, ular doimiy ravishda buzilib ketayotgan bo'lsa-da, bu juda sekin sur'atlarda amalga oshiriladi, bu makroskopik nuqtai nazardan deyarli barqaror.

Makroemulsiyalar barqaror bo'lishining sabablari sabablariga o'xshashdir kolloidlar barqaror bo'lishi mumkin. Asoslangan DLVO nazariyasi, ikki fazaning zaryadlangan yuzalaridagi itarish kuchlari bir-birlarini jozibali kuchlarni qoplash uchun etarlicha itarishadi Hamaker Force Interaction. Bu yaratadi potentsial energiya qudug'i zarralar to'g'ridan-to'g'ri tegmasligiga va shu sababli birlashishiga qaramasdan mahalliy barqarorlik zonasida bo'lgan masofada. Ammo, bu umumiy potentsial emas, balki mahalliy maydon, chunki har qanday zarralar to'plami tasodifiy ravishda etarli bo'lishi mumkin issiqlik energiyasi ular yanada barqaror holatga birlashishi mumkin, shuning uchun vaqt o'tishi bilan barcha makroemulsiyalar asta-sekin birlashadi.

Keyingi interfeys maydonini qisqartirishi tufayli alohida zarrachalarning birlashishi energetik jihatdan qulay bo'lsa, adsorbsiyalangan emulsifikator bunga yo'l qo'ymaydi. Buning sababi, emulsifikatsiya qiluvchi vositaning interfeysda bo'lishi qulayroq, shuning uchun interfeys maydonini kamaytirish emulsifikatsiya qiluvchi vositani asosiy qismiga qaytarish uchun energiya sarflashni talab qiladi.

Makroemulsiyalarning barqarorligi ko'plab atrof-muhit omillariga, shu jumladan harorat, pH, va ion kuchi ning hal qiluvchi.

CHEM 446 Potentsial quduq

Makroemulsiyalarning rivojlanishi

Flokulyatsiya - bu doimiy suyuqlik fazasida tomchilarning to'planishi.
Kremlash - bu suyuqlikning uzluksiz fazasining yuqori qismida tomchilarning to'planishi.
Koalesans - bu ikki tomchining bitta tomchiga birlashishi.
Demulsifikatsiya - bu dispers fazaning bir uzluksiz fazaga to'liq qo'shilishidir.

Flokulyatsiya

Flokulyatsiya dispers tomchilar guruhi uzluksiz faza davomida to'planganda yuz beradi, lekin individual xususiyatlarini yo'qotmaydi. Flokulyatsiya uchun harakatlantiruvchi kuch zaifdir van der Vaals ikkilamchi energiya minimumi deb nomlanadigan katta masofalardagi tomchilar orasidagi tortishish.[2] Sirtlar orasidagi elektrostatik repulsiya tomchilarning tegishiga va birlashishiga to'sqinlik qiladi, makroemulsiyani barqaror qiladi. Diffuziya bilan cheklangan uchrashuvlarning tezligi tomchi kontsentratsiyasining pasayishining yuqori chegarasiga teng va uni quyidagi tenglama bilan ifodalash mumkin:

[2]

yordamida D ni topish mumkin Stok-Eynshteyn munosabati , R - tomchi radiusi va c - birlik hajmiga to'g'ri keladigan tomchilar soni. Ushbu tenglamani quyidagicha qisqartirish mumkin:

[2]

qayerda flokulyatsiya tezligining doimiysi . Agar tomchi radiuslari bir xil o'lchamda bo'lmasa va agregatsiya sodir bo'lsa, flokulyatsiya tezligi konstantasi teng bo'ladi .

Qaymoq

Kremlash - bu idishning yuqori qismida tarqalgan fazada tomchilarning to'planishi.[2] Bu natijasida sodir bo'ladi suzish kuchlari. Tarqoq va uzluksiz fazalarning zichligi hamda uzluksiz fazaning yopishqoqligi kremlash jarayoniga katta ta'sir ko'rsatadi. Agar dispers fazali suyuqlik uzluksiz fazali suyuqlikka qaraganda kamroq zichroq bo'lsa, kremlash ehtimoli katta. Bundan tashqari, doimiy fazali suyuqlikning quyi viskozitesida kremlanish ehtimoli katta. Barcha tarqalgan tomchilar bir-biriga yaqinlashgandan so'ng, ular birlashishi osonroq bo'ladi.

Koalesans

Coalescence - bu ikkita tarqalgan tomchilarni bir tomchiga birlashtirish. Ikkala tomchining sirtlari birlashish uchun aloqa qilishlari kerak. Ushbu sirt aloqasi ikkalasiga ham bog'liq van der Vaals ikki tomchi orasidagi tortishish va sirtni qaytarish kuchlari.[2] Bir-biriga tegib bo'lgach, ikkita sirt plyonkasi birlashishi mumkin, bu sirt plyonkasi zaif bo'lgan joylarda paydo bo'lishi ehtimoli ko'proq. Har bir tomchi ichidagi suyuqlik endi to'g'ridan-to'g'ri aloqada bo'lib, ikkita tomchi bitta tomchiga birlashishga qodir.

Demulsifikatsiya

Demulsifikatsiya - bu an-ning barqarorligini buzish harakati emulsiya. Barcha tomchilar birlashgandan so'ng, bitta dispers faza va bitta doimiy faza o'rniga ikkita doimiy fazalar mavjud. Ushbu jarayon kosurfaktant yoki tuz qo'shib yoki suyuq eritmani asta-sekin aralashtirib tezlashtirilishi mumkin.[2] Demulsifikatsiya bir nechta makroemulsiya dasturlari uchun foydalidir.

Ilovalar

Makroemulsiyalar ilmiy, ishlab chiqarish va maishiy dasturlarda deyarli cheksiz foydalanishga ega. Ular bugungi kunda avtomobilsozlik, go'zallik, tozalash va matolarni parvarish qilish mahsulotlarida, shuningdek biotexnologiya va ishlab chiqarish texnikalarida keng qo'llaniladi.[5]

Makroemulsiyalar ko'pincha tanlanadi mikroemulsiyalar avtomobil va sanoat dasturlari uchun, chunki ular arzonroq, ularni yo'q qilish osonroq va tezroq demulsifikatsiyaga moyilligi moylash materiallari uchun kerak bo'ladi. Odatda suvda yog'li yog 'yoki mineral moyni o'z ichiga olgan eruvchan yog'li moylash materiallari yuqori tezlik va past bosimli qo'llanilish uchun juda mos keladi. Ular tez-tez ishqalanishni kamaytirish va metallga ishlov berish uchun ishlatiladi.[6]

Ko'p terini parvarish qilish vositalari, quyosh pardalari va matolarni yumshatuvchi vositalar silikon makroemulsiyalardan tayyorlanadi. Silikonlar tirnash xususiyati keltiruvchi va moylash xususiyatiga ega emasligi sababli tanlanadi. Makroemulsiyalar va sirt faol moddalarining turli xil birikmalari, ayniqsa hujayra madaniyati sohasida keng biologik tadqiqotlar mavzusidir.[7][8][9]

Quyidagi jadvalda makroemulsiyalar va ularning qo'llanilishining bir nechta namunalari keltirilgan:

MakroemulsiyaDoimiy fazaTarqoq fazaIlovaSirt faol moddasi
Dizel yoqilg'isi va suvDizelSuvYoqilg'i chiqindilarini kamaytirish[6]Alifatik uglevodorod quyruqlariga asoslangan ion bo'lmagan sirt faol moddalar (misollar: spirtli etoksilatlar, yog 'kislotalari etoksilatlari, yog' kislotalarining shakar efirlari)[10]
Silikon va suvSuvSilikonMato yumshatuvchi,[5] Kosmetika[11]Nononik sirt faol moddalar (masalan: silikon kopolyol)[11]
Spirtli ichimliklar va suvSuvSpirtli ichimliklarKontaminatsiyalangan er osti suvlarini tozalash[9]Ko'pik va shampunlarda ishlatiladigan moddalarga o'xshash oziq-ovqat yoki farmatsevtika sifatli agentlari (misollar: Polisorbat-20, Tween yoki Span)[9]
Izoktan va suvIzoktanSuvUy hujayralari madaniyati[8]Bakteritsid yoki bakteriostatik xususiyatlarga ega (masalan: Lesitin, fosfolipid, tabiiy ravishda ko'plab hayvonlarda uchraydi)[8]

Adabiyotlar

  1. ^ a b v Shoh, Dinesh O., ed. (1985). "Ibratli va mikroemulsiyalarga kirish". Ibratli va mikroemulsiyalar: nazariya va qo'llanmalar: Amerika Kimyoviy Jamiyatining 186-yig'ilishida sanoat va muhandislik kimyo bo'limi homiyligida o'tkazilgan simpozium asosida, Vashington, DC, 1983 yil 28 avgust - 2 sentyabr.. ACS simpoziumi seriyasi. 272. Vashington, Kolumbiya: Amerika Kimyo Jamiyati. 1-13 betlar. doi:10.1021 / bk-1985-0272.ch001. ISBN  978-0-8412-0896-4.
  2. ^ a b v d e f g h men Tugma, Xans-Yurgen; Graf, Karlxaynts; Kappl, Maykl (2006). Interfeyslar fizikasi va kimyosi (2-chi, nashr va nashr.). Vaynxaym: Vili-VCH-Verl. 108-109, 278-287-betlar. ISBN  978-3-527-40629-6.
  3. ^ Slomkovski, Stanislav (2011). "Dispers tizimlarda polimerlar va polimerlanish jarayonlari terminologiyasi (IUPAC tavsiyalari 2011)" (PDF). Sof va amaliy kimyo. 83 (12): 2229–2259. doi:10.1351 / PAC-REC-10-06-03.
  4. ^ Stoks, Robert (1997 yil). Yuzlararo muhandislik asoslari. VCH. 245-247 betlar. ISBN  978-0471-18647-2.
  5. ^ a b "Silikon makroemulsiyalar va mikroemulsiyalar". Dow Corning korporatsiyasi. Olingan 30-aprel 2012.
  6. ^ a b Totten, Jorj E. (2003). Yoqilg'i-moylash materiallari: texnologiya, xususiyatlar, ishlash va sinov. West Conshohocken, PA: ASTM International.
  7. ^ Stefan, Alessandra; Xerardo Palazzo; Andrea Segli; Eleonora Panzavolta; Alejandro Xochkoeppler (2002 yil 3-dekabr). "Yog 'tarkibidagi makroemulsiyalar Organik erituvchilar tarkibidagi mikrob hujayralarining uzoq muddatli hayotiyligini ta'minlaydi". Biotexnologiya va bioinjiniring. 81 (3): 323–328. doi:10.1002 / bit.10476. PMID  12474255.
  8. ^ a b v Cinelli, Kuomo G.; Kuomo, F.; Xoxkoeppler, A .; Segli, A .; Lopez, F (2006). "Biotrasformatsiya reaktsiyasi uchun yog'da yog'li makroemulsiyada joylashtirilgan Rhodotorula minutaLive hujayralaridan foydalanish". Biotexnol. Prog. 22 (3): 689–695. doi:10.1021 / bp0504039. PMID  16739950.
  9. ^ a b v Jorjiya Texnologiya Instituti (2012 yil 24-may). "Noyob ikki qismli makroemulsiya ifloslangan qatlamlarni tozalashga yangi yondashuvni taklif qiladi". Science Daily.
  10. ^ Lif, Anna; Krister Xolmberg (2006). "Dizeldagi suv emulsiyalari va ular bilan bog'liq tizimlar" (PDF). Kolloid va interfeys fanlari yutuqlari: 231–239. Olingan 1 iyun, 2012.
  11. ^ a b Reyn, Linda D. (2007). Shaxsiy parvarish mahsulotlari va dekorativ kosmetik vositalardagi sirt faol moddalar (3-nashr). Boka Raton, Fla [u.a.]: CRC Press. p. 156. ISBN  978-1574445312.