Микроэмульсиялар: құрамы, қасиеттері және теориялары
Microemulsion
Микроэмульсии: стабильные смеси масла, воды и ПАВ. Образуются легко, без сильного перемешивания. Типы: прямые, обратные, биконтинуальные. Изучение свойств и применения.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Микроэмульсиялар – мұнай, су және беттік белсенді заттан тұратын мөлдір, термодинамикалық тұрақты, изотроптық сұйық қоспалар, көбінесе қосақтағыш беттік белсенді затпен бірге қолданылады. Су фазасы тұз(дар) және/немесе басқа да ингредиенттерді қамти алады, ал "мұнай" әр түрлі көмірсутектердің күрделі қоспасы болуы мүмкін. Қалыпты эмульсиялардан айырмашылығы, микроэмульсиялар компоненттерді жай араластыру арқылы түзіледі және қалыпты эмульсияларды жасау үшін қажетті жоғары серпіліс күштерін талап етпейді. Микроэмульсиялардың үш негізгі түрі бар: тікелей (май суға шашыратылған, м/с), кері (су майға шашыратылған, с/м) және биконтинуасты. Үштік жүйелерде, мысалы микроэмульсияларда, екі араласпайтын фаза (су және "мұнай") беттік белсенді затпен бірге болатын жағдайда, беттік белсенді зат молекулалары мұнай мен су арасындағы интерфейсте моноқабатты құрауы мүмкін, мұнда беттік белсенді зат молекулаларының гидрофобтық тізбектері май фазасында, ал гидрофильді бас бөліктері су фазасында ерітіледі.
Microemulsions are clear, thermodynamically stable isotropic liquid mixtures of oil, water and surfactant, frequently in combination with a cosurfactant. The aqueous phase may contain salt(s) and/or other ingredients, and the "oil" may actually be a complex mixture of different hydrocarbons. In contrast to ordinary emulsions, microemulsions form upon simple mixing of the components and do not require the high shear conditions generally used in the formation of ordinary emulsions. The three basic types of microemulsions are direct (oil dispersed in water, o/w), reversed (water dispersed in oil, w/o) and bicontinuous. In ternary systems such as microemulsions, where two immiscible phases (water and ‘oil’) are present with a surfactant, the surfactant molecules may form a monolayer at the interface between the oil and water, with the hydrophobic tails of the surfactant molecules dissolved in the oil phase and the hydrophilic head groups in the aqueous phase.
Теория
Микроэмульсияның пайда болуы, тұрақтылығы және фазалық қасиеттері туралы әртүрлі теориялар жылдар бойы ұсынылған. Мысалы, олардың термодинамикалық тұрақтылығының бір түсіндірмесі – май/су дисперсиясы беттік белсенді заттың арқасында тұрақтанады және олардың қалыптасуы май/су интерфейсіндегі беттік белсенді пленканың серпімді қасиеттерін қамтиды, онда пленканың қисықтығы мен қатаңдығы параметрлер ретінде қарастырылады. Бұл параметрлер белгілі бір қысымға және/немесе температураға (және/немесе су фазасының тұздылығына) тәуелді болуы мүмкін, бұл микроэмульсияның тұрақтылық аймағын анықтауға немесе үш фазаның бірдей қатар өмір сүретін аймағын белгілеуге қолданылуы мүмкін. Микроэмульсияның майлы немесе сулы фазамен бірге болатын интерфейстік кернеуін есептеу де көбінесе ерекше назар аударады және кейде оларды жасауға бағыт беру үшін пайдаланылуы мүмкін.
Various theories concerning microemulsion formation, stability and phase behavior have been proposed over the years. For example, one explanation for their thermodynamic stability is that the oil/water dispersion is stabilized by the surfactant present and their formation involves the elastic properties of the surfactant film at the oil/water interface, which involves as parameters, the curvature and the rigidity of the film. These parameters may have an assumed or measured pressure and/or temperature dependence (and/or the salinity of the aqueous phase), which may be used to infer the region of stability of the microemulsion, or to delineate the region where three coexisting phases occur, for example. Calculations of the interfacial tension of the microemulsion with a coexisting oil or aqueous phase are also often of special focus and may sometimes be used to guide their formulation.
Тарих және терминология
Микроэмульсия термині алғаш рет 1943 жылы Кембридж университетінің химия профессоры Т. П. Хоар және Дж. Х. Шульман қолданған. Бұл жүйелердің баламалы атаулары жиі қолданылады, мысалы, мөлдір эмульсия, кеңейген мицелла, мицеллалық ерітінді және ерітілген май. Көбірек шатастыратыны, микроэмульсия термині май, су және беттік белсенді зат қоспасынан тұратын бір ғана изотроптық фазаны, немесе басым түрінде май және/немесе сулы фазалармен тепе-теңдікте болатын фазаны, тіпті басқа изотроптық емес фазаларды да білдіре алады. Екілік жүйелерде (су/беттік белсенді зат немесе май/беттік белсенді зат) сияқты, әртүрлі типтегі өздігінен құрастырылған құрылымдар пайда болуы мүмкін, мысалы, (кері) сфералық және цилиндрлік мицеллалардан бастап ламелді фазаларға және екі үзділіссіз микроэмульсияларға дейін, олар басым түрінде май немесе сулы фазалармен қатар болуы мүмкін.
The term microemulsion was first used by T. P. Hoar and J. H. Shulman, professors of chemistry at Cambridge University, in 1943. Alternative names for these systems are often used, such as transparent emulsion, swollen micelle, micellar solution, and solubilized oil. More confusingly still, the term microemulsion can refer to the single isotropic phase that is a mixture of oil, water and surfactant, or to one that is in equilibrium with coexisting predominantly oil and/or aqueous phases, or even to other non isotropic phases. As in the binary systems (water/surfactant or oil/surfactant), self assembled structures of different types can be formed, ranging, for example, from (inverted) spherical and cylindrical micelles to lamellar phases and bicontinuous microemulsions, which may coexist with predominantly oil or aqueous phases.
Фазалық диаграммалар
Микроэмульсиялық домендер әдетте үштік фазалық диаграммалар салу арқылы сипатталады. Микроэмульсия құру үшін үш негізгі компонент қажет: екі араласпайтын сұйықтық және беттік белсенді зат. Көптеген микроэмульсияларда май мен су араласпайтын сұйық жұп ретінде қолданылады. Егер косурфактант қолданылса, ол кейде беттік белсенді затқа қатысты белгілі бір пропорцияда бір компонент ретінде көрсетіліп, «псевдокомпонент» ретінде қарастырылуы мүмкін. Осы үш компоненттің салыстырмалы мөлшерлерін үштік фазалық диаграммада бейнелеуге болады. Гиббс фазалық диаграммалары жүйедегі әртүрлі фазалардың көлемдік үлестерінің фазалық мінез-құлыққа тигізетін әсерін көрсету үшін пайдаланылуы мүмкін. Жүйені құрайтын үш компоненттің әрқайсысы үшбұрыштың төбесінде орналасқан, онда олардың сәйкес көлемдік үлесі 100% құрайды. Осы төбеден алшақтағанда, осы компоненттің көлемдік үлесі кемиді, ал қалған екі компоненттің бірінің немесе екеуінің де көлемдік үлесі артады. Үшбұрыштың ішіндегі әрбір нүкте үш компоненттің немесе псевдокомпоненттердің қоспасының мүмкін құрамын көрсетеді, ол (Гиббс фазалық ережесіне сәйкес) бір, екі немесе үш фазадан тұруы мүмкін. Бұл нүктелер бірігіп, олардың арасындағы шекаралары бар аймақтарды құрайды, олар тұрақты температура мен қысымда жүйенің «фазалық мінез-құлқынан» хабар береді. Дегенмен, Гиббс фазалық диаграммасы жүйенің жай-күйін эмпирикалық түрде визуализациялау болып табылады және берілген құрамдағы фазалардың нақты санын көрсете бермейді. Көзге анық бір фазалы құралымдар бірнеше изотроптық фазалардан тұруы мүмкін (мысалы, ашық көрінетін гептан/AOT/су микроэмульсиялары бірнеше фазадан тұрады). Бұл жүйелер басқа фазалармен тепе-теңдікте болуы мүмкін болғандықтан, көптеген жүйелер, әсіресе екі араласпайтын фазаның жоғары көлемдік үлестері бар жүйелер, осы тепе-теңдікті өзгертетін кез келген факторға, мысалы, жоғары немесе төмен температураға немесе беттік кернеуді өзгертетін заттарға оңай сезімтал келеді. Алайда, салыстырмалы түрде тұрақты микроэмульсиялардың мысалдары да бар. Автомобиль қозғалтқыш майларындағы қышқылдың жиналуын жою механизмі төмен су фазасы көлеміне және майдағы су/май (w/o) микроэмульсияларына байланысты деп есептеледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, сұйық қышқыл тамшыларын қозғалтқыш майы арқылы майдағы микродисперстелген кальций карбонаты бөлшектеріне тасымалдау ең тиімді болады, егер сұйық тамшылары бір сутегі ионын тасымалдауға жеткілікті кішкентай болса (тамшылар неғұрлым кішкентай болса, қышқыл су тамшыларының саны неғұрлым көп болса, бейтараптандыру соғұрлым жылдам болады). Мұндай микроэмульсиялар жоғары температураның кең диапазонында тұрақты болуы мүмкін.
Microemulsion domains are usually characterized by constructing ternary phase diagrams. Three components are the basic requirement to form a microemulsion: two immiscible liquids and a surfactant. The majority of microemulsions use oil and water as immiscible liquid pairs. If a cosurfactant is used, it may sometimes be represented at a fixed ratio to surfactant as a single component, and treated as a single "pseudo component". The relative amounts of these three components can be represented in a ternary phase diagram. Gibbs phase diagrams can be used to show the influence of changes in the volume fractions of the different phases on the phase behavior of the system. The three components composing the system are each found at an apex of the triangle, where their corresponding volume fraction is 100%. Moving away from that corner reduces the volume fraction of that specific component and increases the volume fraction of one or both of the two other components. Each point within the triangle represents a possible composition of a mixture of the three components or pseudo components, which may consist (ideally, according to the Gibbs' phase rule) of one, two or three phases. These points combine to form regions with boundaries between them, which represent the "phase behavior" of the system at constant temperature and pressure. The Gibbs phase diagram, however, is an empirical visual observation of the state of the system and may, or may not express the true number of phases within a given composition. Apparently clear single phase formulations can still consist of multiple iso tropic phases (e. g. the apparently clear heptane/AOT/water microemulsions consist multiple phases). Since these systems can be in equilibrium with other phases, many systems, especially those with high volume fractions of both the two imiscible phases, can be easily destabilised by anything that changes this equilibrium e. g. high or low temperature or addition of surface tension modifying agents. However, examples of relatively stable microemulsions can be found. It is believed that the mechanism for removing acid build up in car engine oils involves low water phase volume, water in oil (w/o) microemulsions. Theoretically, transport of the aqueous acid droplets through the engine oil to microdispersed calcium carbonate particles in the oil should be most efficient when the aqueous droplets are small enough to transport a single hydrogen ion (the smaller the droplets, the greater the number of acid water droplets, the faster the neutralisation). Such microemulsions are probably very stable across a reasonably wide range of elevated temperatures.