Х и м и я
Коллоидная химия
Эмульсии и эмульгаторы.
Грубодисперсные системы
Эмульсии это один из видов грубодисперсных систем. Помимо эмульсий к грубодисперсным системам относятся суспензии, пены, порошки и пр.
Грубодисперсные системы отличаются от коллоидных систем более крупным размером частиц дисперсной фазы. Верхний предел размеров коллоидных частиц составляет
10 -7 м, грубодисперсные системы имеют размер частиц от 10 -7 м и выше.
Эмульсии
Эмульсиями называют дисперсные системы из несмешивающихся жидкостей. В таких системах, состоящих, например, из двух жидкостей, одна из них (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсной среде) в виде капелек.
Размеры капелек различны и могут достигать 5 · 10 -6 м и выше.
Ряд свойств эмульсий сходен со свойствами коллоидов: они также имеют выраженную поверхность раздела, неустойчивы и нуждаются в стабилизаторах (эмульгаторах).
Эмульсии могут образовывать только взаимно нерастворимые жидкости. Чаще всего эмульсии состоят из воды и жидкости, которые принято называть «маслом». Молекулы масла менее полярны, чем молекулы воды и в этом кроется секрет взаимной нерастворимости этих веществ.
Возможны два типа эмульсий: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м).
При энергичном взбалтывании смесей, состоящих из воды и масла, компонент, содержащийся в меньшем количестве, дробиться на мельчайшие капельки, распределяющиеся по всему объёму.
Если дисперсной фазой является масло, то образуется эмульсия, в которой капельки жидкости по свойствам очень схожи с частицами гидрофобного коллоида.
Главным фактором их устойчивости также является заряд, возникающий за счёт адсорбции некоторых ионов, обладающих этим зарядом. Таким образом капельки эмульсии имеют некоторый ζ-потенциал.
Обычно концентрация дисперсной фазы в эмульсиях чистых жидкостей (без стабилизаторов) не превышает 2%.
Устойчивость таких эмульсий невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы (так называемая коалесценция) и последующее расслоение жидкости. Чем меньше размер капелек, тем устойчевее эмульсия.
Эмульгаторы
Достаточно устойчивую и концентрированную эмульсию можно приготовить лишь при добавлении стабилизатора (эмульгатора).
Эмульгаторы не только сообщают капелькам эмульгируемой жидкости заряд, но, главным образом, создают вокруг них своеобразную оболочку, препятствующую коалесценции.
Гидрофильные и гидрофобные эмульгаторы.
В наиболее важном с практической точки зрения случае эмульгаторы представляют собой дифильные вещества, молекулы которых имеют в своём составе, как полярную (гидрофильную) группу, так и неполярную (гидрофобную) часть.
В качестве примера дифильных веществ можно привести лецитин:
Именно благодаря наличию такой двойственной структуры становится возможной стабилизация, поскольку дифильные вещества имеют возможность одновременно взаимодействовать, как с водой и водорастворимыми веществами, так и с маслами или веществами жирной природы.
Эмульгаторы, молекулы которых имеют относительно длинную гидрофобную часть, обладают преимущественно гидрофобными свойствами. Такие эмульгаторы называют гидрофобными.
И, наоборот, эмульгаторы с относительно короткой гидрофобной частью, имеют большее сродство с водой и их, поэтому называют гидрофильными.
Стабилизация эмульсий типа «масло в воде». Гидрофильные эмульгаторы.
Гидрофильные эмульгаторы необходимы для стабилизации эмульсий типа «масло в воде». При добавлении гидрофильного эмульгатора в такую эмульсию вокруг капельки масла образуется сплошной слой эмульгатора, сообщающий ей некоторую гидрофильность и повышающий её устойчивость (Рис. а).
Добавление в такую же смесь гидрофобного эмульгатора, большая часть молекулы которого погружается в капельку масла, не обеспечивает устойчивости эмульсии, поскольку часть поверхности капельки остаётся «открытой» и легко может происходить слияние с другими капельками (рис. б).
Стабилизация эмульсий типа «вода в масле». Гидрофобные эмульгаторы.
Гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсии типа «вода в масле». Их молекула, находящаяся большей своей частью в дисперсионной среде (масле), удерживается на поверхности капелек воды своей гидрофильной группировкой (Рис. а).
В результате вокруг каждой капельки воды образуется плотная оболочка из молекул эмульгатора, препятствующая слиянию дисперсной фазы (воды).
Попытка получить эмульсию такого же типа с гидрофильным эмульгатором оказалась бы безуспешной, так как молекулы эмульгатора разместились бы в основном внутри капелек воды (Рис. б).
Вместо сплошной оболочки вокруг капелек имелись бы лишь выступающие над их поверхностью отдельные гидрофобные группы эмульгатора, не препятствующие коалесценции капелек.
Таким образом, эмульгатор должен обладать сродством к дисперсионной среде.
В зависимости от типа желаемой эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени диссоциации.
Дисперсность эмульгаторов
Эмульгаторы для эмульсий типа м/в
Эмульгаторы для эмульсий типа в/м
CaCO3, CaSO4, Fe2O3, Fe(OH)3, SiO2, глина и др.
HgI2, PbO, сажа и др.
Желатин, казеин, альбумин, крахмал, декстрин, гуммиарабик, лецитин, желчные кислоты и др.
Смолы, каучук, холестерин и др.
Молекулярная
Мыла щелочных металлов, красители
Мыла многовалентных металов
Эмульгатором можно задать тип эмульсии
Добавляя в дисперсную систему тот или иной тип стабилизатора (эмульгатора), можно задать тип эмульсии.
Если к смеси равных объёмов воды и бензола добавить гидрофильный эмульгатор, то образуется эмульсия типа «масло в воде».
Добавление гидрофобного эмульгатора приводит к возникновению эмульсии типа «вода в масле».
Применение соответствующих эмульгаторов позволяет получать эмульсии, в которых объём дисперсной фазы гораздо больше объёма дисперсионной среды.
Так, Кремнев получил эмульсию из 150 частей бензола в 1 части воды.
Моющее действие эмульгаторов
Образование эмульсии происходит при отмывании жирных пятен мылом. Пептизированные, а затем стабилизированные солями жирных кислот частички жира легко уносятся водой.
Пептизация — расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем, на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ — пептизаторов. Пептизированные частицы – частицы, отщеплённые от основной массы коагулята, а в данном случае — от жирового загрязнения.
Моющие средства должны быть сильными поверхностно-активными гидрофильными эмульгаторами. Поверхностное натяжение моющего раствора должны быть почти вдвое ниже, чем у воды.
Моющее действие этих растворов возрастает с повышением их концентрации и увеличением гидрофобной части молекулы применяемого эмульгатора.
Биологическое значение эмульсий
Примером эмульсий является молоко, которое представляет собой взвешенные в воде частички жира, эмульгированные белком (казеиногеном).
При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии (сливки).
Сбивание сливок приводит к разрушению белковой оболочки, жир коалесцирует в крупные комочки сливочного масла, которое тоже представляет собой эмульсию, но уже типа «вода в масле».
Аналогичными этому типу эмульсиями являются:
Маргарин – эмульсия из мелкораздробленных гидрогенезированных растительных жиров.
Эмульсии в физиолгии человека
Эмульсии нередко встречаются в организме человека:
1. Жиры в крови и лимфе находятся в эмульгированном состоянии (эмульгатор – белки крови).
2. При пищеварении в кишечнике также образуется жировая эмульсия, но здесь стабилизатором служат соли желчных и жирных кислот. Опыты показали, что растворы солей желчных кислот могут обладать поверхностным натяжением менее 1 эрг/см2, т.е. настолько низким, что может идти самопроизвольное раздробление жира (без его механического измельчения). Таким образом, желчь имеет важное значение для переваривания и всасывания жиров в жилудочно-кишечном тракте.
3. Эритроциты в крови можно по ряду свойств рассматривать так же, как частички гидрофобной эмульсии.
На их поверхности отсорбированы молекулы белков, аминокислот и ионы электролитов. Все они сообщают эритроцитам определённый отрицательный заряд, а противоионы создают некоторый диффузный слой.
При паталогических процессах в организме, когда в крови увеличивается содержание некоторых видов белков (либо особого глюкопротеида, относящегося к альфа-глобулинам, либо при инфекционных заболеваниях гамма-глобулинов) происходит процесс, очень напоминающий ионообменную адсорбцию: место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещённых ими ионов.
В результате заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают (ускоряется реакция оседания эритроцитов – РОЭ).
Этот процесс зависит ещё от ряда факторов: содержания других белковых фракция и мукополисахаридов, концентрации эритроцитов в кровии, от наличия в крови микробов, наконец, расположения сосуда, в котором наблюдается РОЭ (в частности, скорость её ниже в наклонно расположенном капиляре).
Оседание эритроцитов происходит сходно с процессом седиментации гидрофобного коллоида.
Источник
Школа Кремовара. Готовим эмульсию для косметического крема. Часть 2.
Приготовление эмульсии для косметического крема своими руками. Технология приготовления эмульсии. Эмульгаторы. Прямые и обратные эмульсии. Отличия. Как избежать ошибок.
Как известно, масло в воде не растворяется. Если вы добавите в воду несколько капель, то обнаружите, что они плавают в воде.
Как же соединить эти два компонента, что бы получилась однородная масса — эмульсия.
Рассмотрим основные понятия (поиграем в химика).
1.Эмульгатор.
Эмульгатор — это обязательный компонент для приготовления домашнего крема. Поэтому будем с ним разбираться. Купить готовую основу для крема>>>
Благодаря эмульгаторам, эмульсия остается стабильной, то есть не расслаивается, остается однородной. Эмульгаторы, как правило, являются органическими соединениями. Это преимущественно растворимые вещества, обладающие свойством понижать поверхностное натяжение на границе обеих фаз (водной и масляной) эмульсии. На вид, они воскообразные в виде пластинок, стружки, горошинок.
Как устроен эмульгатор.
Эмульгатор имеет вытянутую молекулу. С одного конца она – гидрофильная, то есть притягивает к себе воду, а другой конец липофильный — притягивает масло. Эмульгатор выступает связкой между этими двумя несовместимыми веществами и не позволяет им расслаиваться. При этом после эмульгирования одна фаза например, масло в виде мелких капель распределяется во второй фазе — воде и наоборот.
В качестве эмульгаторов в косметике используются:
— различные ПАВ (поверхностно-активные вещества). Липиды, жирные спирты (в основном для моющих средств).
— натуральные эмульгаторы растительного и животного происхождения. Моно — и ди-глицериды стеариновой кислоты, лаурин
овая, олеиновая, стеариновая кислоты и др.
Эмульгаторы разделяются на два типа:
- Гидрофильные – растворяются в воде
- Липофильные – растворяются в масле.
2. Эмульсия.
Эмульсия состоит из двух или более жидких фаз. Мы будем рассматривать только двухфазную эмульсию. Фаза масляная и фаза гидрофильная (водная).
Эмульгирование — это процесс образования устойчивой (стабилизированной) эмульсии, способной сохраняться во времени, не разрушаясь.
Как делают эмульсии.
Эмульсии обычно готовят путем энергичного взбивания жирной и водной фазы. Для создания нужного типа эмульсии необходимо перед смешиванием фаз тщательно растворить эмульгатор, либо в воде, либо в масле, в зависимости от типа эмульгатора. Часто для этого требуется подогрев обеих фаз. Иногда достаточно комнатной температуры. В описании к эмульгатору указывается необходимая температура нагрева (обычно 50-70С) и рекомендации по применению. После полного растворения гидрофильного эмульгатора в воде или липофильного в масле, фазы смешиваются. Для того, чтобы процесс эмульгирования произошел удачно, температура обеих фаз должна быть одинаковой. Важно также постепенное введение внутренней фазы, которое позволяет добиться ее равномерного и полного распределения.
Примеры эмульсий в природе: молоко, млечный сок растений, кровь.
Все эмульсии делятся на два основных типа:
Прямые эмульсии — масло в воде, дисперсионной фазой ( то, в чем растворяется) которых выступает вода.
Обратные эмульсии — вода в масле, где дисперсионная фаза, соответственно — масло.
Примечание! Подробнее о дисперсии и других видах эмульсии вы можете посмотреть на химических форумах, но скорее всего, в домашнем изготовлении крема эта информация вам не пригодится.
От каких факторов зависит тип эмульсии, получаемой в результате.
— от порядка смешения фаз,
— от природы и способа введения эмульгатора,
— от техники эмульгирования.
Что может повлиять на свойства эмульгатора:
- примеси в воде и масле (хлорированная или слишком жесткая вода) (-),
- электролиты и кислоты (лимонная кислота, соль) (-),
- присутствие соэмульгаторов и загустителей (например, гуар) (+),
- температура смешиваемых фаз недостаток температуры или перегрев,
- соотношения смешиваемых фаз (не выверенная пропорция масленой и водной фазы),
- рН смешиваемых фаз , купить лакмусовую бумагу>>>
- интенсивность взбивания,
- время эмульгирования.
Прямые эмульсии «Масло – вода»:
Что такое прямая эмульсия, можно привести на примере молока. В молоке плавают капельки жира, где основная среда — вода. Если молоко попытаться разбавить маслом, то масло будет плавать на поверхности, а если водой, то вода раствориться и станет однородной с общей массой.
В Прямых эмульсиях мельчайшие капельки масла распределены в водной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (поверхностно-активные вещества) так, что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – к маслу, внутрь капли. Вокруг каждой частицы масла формируются развитые межфазные слои, которые защищают капельки масла от слияния друг с другом, а всю эмульсию от расслаивания. Другими словами, такая эмульсия будет стабильной. Они действуют охлаждающе в силу высокого содержания в них свободной воды. Они легко распределяются, быстро впитываются и обычно не оставляют после себя жирного блеска. Для однократного долговременного применения, в частности при сухой коже, прямые эмульсии непригодны, так как вследствие быстрого испарения воды они продолжают стимулировать трансэпидермальную потерю воды и тем самым усиливают высыхание кожи, поэтому их целесообразно применять попеременно с водомасляными системами.
Обладают легкой текстурой.
- Легко наносятся и быстро впитываются в кожу.
- Не оставляет жирного блеска.
- Не образуют пленки, хотя иногда и не помешало бы.
- Оказывают охлаждающее воздействие.
- Масло быстро проникает во внутренние слои.
- Являются проводником для биологически активных веществ в кожу.
Недостатки Прямых эмульсий.
- Почти не обладают барьерными функциями.
- Легко смываются водой.
- Эмульгаторы для прямых эмульсий способствуют вымыванию кожных пептидов, что приводит к разрушению кожного барьера.
- Кажется, что должны увлажнять, но в результате приводят к обезвоживанию и сухости кожи. Приходится вводить дополнительные увлажняющие средства, глицерин, гиалуроновую кислоту и др.
На основе Прямых эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:
- устранения акне,
- снятия воспалений,
- лечения дерматоза и экземы,
- создания возрастной косметики, для нормальной и комбинированной кожи, склонной к сухости,
- создания дневного крема в качестве основы под декоративную косметику.
Содержание воды в Прямых эмульсиях должно быть не менее 50%, в противном случае могут образовываться смешанные формы.
Обратные эмульсии «Вода—масло».
В обратных эмульсиях мельчайшие капельки воды распределены в масляной среде и стабилизированы слоем эмульгатора или ПАВ (или и тем, и другим), так что полярная часть молекул эмульгатора обращена в водную фазу, а неполярная часть – в масляную фазу. Межфазные слои вокруг каждой капельки воды не дают им слипаться и защищают эмульсию от расслаивания. Вследствие своей липофильной внешней фазы системы типа “вода-масло” даже при высоком содержании воды являются пережиривающими системами, которые показаны преимущественно при сухой коже. При нанесении на кожу диспергированная вода высвобождается. Тонкая жировая пленка впитывается в верхние слои дермы, что позволяет предотвратить испарение влаги с поверхности и обратить ее вглубь рогового слоя кожи.
По материалам книг:
“Основы косметической химии” под редакцией Пучковой Т. В.
“Косметические кремы и эмульсии. Состав, методы получения и испытаний” Г. Кутц
Достоинства обратных эмульсий
- Считаются более физиологичными.
- Хорошо совмещаются с кожей.
- Являются хорошим проводником для водорастворимых веществ.
- Не смываются водой.
- Обладают прекрасными барьерными свойствами, особенно от атмосферных воздействий.
- Удерживают влагу, обеспечивают проникновение влаги в эпидермис. Обладают эффективным увлажняющим свойством.
Недостатки обратных эмульсий
- Трудно распределяются по коже.
- Создают ощущение жирности, липкости и тяжести на коже.
- Оставляют жирный блеск.
- Способствуют расширению пор и образованию акне.
- Не подходят для жирной кожи.
На основе обратных эмульсий рекомендуется создавать косметические средства для:
- лечения псориаза,
- лечения дерматозов и сухой экземы,
- лечения микозов,
- ухода за сухой кожей,
- создания ночных и питательных кремов,
- создания Косметики –УФ-фильтров,
- ухода за чувствительной кожей,
- ухода за детской кожей.
Обратная эмульсия образуется непосредственно при добавлении воды в масляный раствор эмульгатора. Эти условия, выполняются только при введении небольших количеств воды, буквально по капле. То есть в масленую фазу постепенно, маленькими частями, по каплям вводится водная фаза. Добавляемая вода не должна скапливаться на поверхности, а должна уходить «вовнутрь», в масло, при постоянном перемешивании.
В противном случае может произойти обращение фаз и получится прямая эмульсия, которая вдобавок может оказаться нестабильной.
Важное замечание: Обратная эмульсия получается только при наличии специального эмульгатора, а не из-за смены очереди добавления компонентов! Считается, что сделать обратную эмульсию в домашних условиях, гораздо сложнее. Эти эмульсии создаются при наличии специальных эмульгаторов и оборудования.
Проценты соотношений:
- Процент масляной фазы 60-80%, (где, 60% более оптимальное количество)
- Процент эмульгатора 5-10% от водной фазы
- Водная фаза 20-30%. Чем выше процент воды, тем более вязкой и менее стабильно получиться ваша эмульсия.
Чтобы стабилизировать обратные эмульсии можно применять (
- Физраствор (водный раствор хлорида натрия).
- Глицерин в пределах концентрации 3-15%.
- Воск пчелиный (для тяжелых кремов).
- Карнаубский воск.
- Масло сального дерева.
- Камеди (добавляется в водную фазу).
- Эмульгаторы для обратных эмульсий.
- Ланолин.
Эмульгаторы для обратных эмульсий:
- сорбитан стеарат / спан-60
- Sorbitan Olivate(сорбитан Оливат) HLB = 4.7.
- Монтанов 68
- Никкомульс WO NS
- Hostacerin (Хостацерин)
Несколько советов для домашнего теста на тип эмульсии.
— прямая эмульсия легко смешивается с водой, обратная – с маслом.
— если крем капнуть на парафин и капля растекается, то эмульсия обратная, если нет, то прямая.
— прямая эмульсия легко смывается водой, обратная — оставляет жирную пленку на коже.
— если крем растворяется в воде, то он является прямой эмульсией, если в масле — обратной эмульсией.
Ответы специалистов на часто задаваемые вопросы:
1.Как проверить, что получилась обратная эмульсия?
Если капнуть каплю в кипяток, то она останется в том же виде, не раствориться и не распадется.
2.Если эмульсия получилась густая, значит она получилась обратная?
Нет. Прямая эмульсия так же может быть густой!
3. Какой эмульгатор подойдет для домашнего применения?
Не все эмульгаторы для этого пригодны. Нужно брать тот, который рекомендован для домашнего использования.
Источник