Микроэмульсии: стабильные смеси масла, воды и ПАВ. Типы: прямые, обратные, биконтинуальные. Простое смешивание, без сильного перемешивания. Свойства и состав.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Микроэмульсии — это прозрачные, термодинамически стабильные изотропные жидкие смеси масла, воды и поверхностно-активного вещества, часто в сочетании с ко-ПАВ. Водная фаза может содержать соли и/или другие ингредиенты, а "масло" может фактически представлять собой сложную смесь различных углеводородов. В отличие от обычных эмульсий, микроэмульсии формируются при простом смешивании компонентов и не требуют высоких условий сдвига, обычно используемых для образования обычных эмульсий. Три основных типа микроэмульсий: прямые (масло, диспергированное в воде, м/в), обратные (вода, диспергированная в масле, в/м) и бинепрерывные. В тройных системах, таких как микроэмульсии, где с поверхностно-активным веществом присутствуют две несмешивающиеся фазы (вода и масло), молекулы поверхностно-активного вещества могут формировать монослой на границе раздела между маслом и водой, при этом гидрофобные хвосты молекул поверхностно-активного вещества растворяются в масляной фазе, а гидрофильные головные группы — в водной фазе.
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
На протяжении многих лет было предложено множество теорий, касающихся образования, стабильности и фазового поведения микроэмульсий. Например, одно из объяснений их термодинамической стабильности заключается в том, что дисперсия масло/вода стабилизируется присутствующим поверхностно-активным веществом, а их формирование связано с эластичными свойствами пленки поверхностно-активного вещества на границе раздела масло/вода, которые учитывают такие параметры, как кривизна и жесткость пленки. Эти параметры могут иметь предполагаемую или измеренную зависимость от давления и/или температуры (и/или солености водной фазы), что может быть использовано для определения области стабильности микроэмульсии или для установления области, где сосуществуют три фазы, например. Расчет поверхностного натяжения микроэмульсии с сосуществующей масляной или водной фазой также часто является предметом особого внимания и иногда может использоваться для оптимизации ее состава.
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.
История и терминология
Термин «микроэмульсия» впервые был использован Т. П. Хоаром и Дж. Х. Шульманом, профессорами химии в Кембриджском университете, в 1943 году. Для этих систем часто используются альтернативные названия, такие как прозрачная эмульсия, набухшие мицеллы, мицеллярный раствор и растворенный в воде масло. Еще более сбивает с толку то, что термин «микроэмульсия» может относиться как к единственной изотропной фазе, представляющей собой смесь масла, воды и поверхностно-активного вещества, так и к фазе, находящейся в равновесии с сосуществующими преимущественно масляными и/или водными фазами, или даже к другим анизотропным фазам. Как и в бинарных системах (вода/поверхностно-активное вещество или масло/поверхностно-активное вещество), могут формироваться самособирающиеся структуры различных типов, от (инвертированных) сферических и цилиндрических мицелл до ламеллярных фаз и биконтинуальных микроэмульсий, которые могут сосуществовать с преимущественно масляными или водными фазами.
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.
Фазовые диаграммы
Микроэмульсионные домены обычно характеризуются построением тройных фазовых диаграмм. Для формирования микроэмульсии необходимо наличие трех компонентов: двух несмешивающихся жидкостей и поверхностно-активного вещества. В большинстве микроэмульсий в качестве несмешивающихся жидкостей используются масло и вода. Если используется косурфактант, он может быть представлен в фиксированном соотношении к поверхностно-активному веществу как единый компонент и рассматриваться как единый "псевдокомпонент". Относительные количества этих трех компонентов могут быть представлены на тройной фазовой диаграмме. Фазовые диаграммы Гиббса могут использоваться для демонстрации влияния изменений объемных долей различных фаз на фазовое поведение системы. Три компонента, составляющие систему, расположены в вершинах треугольника, где их соответствующая объемная доля составляет 100%. При удалении от вершины уменьшается объемная доля конкретного компонента и увеличивается объемная доля одного или обоих других компонентов. Каждая точка внутри треугольника представляет собой возможный состав смеси трех компонентов или псевдокомпонентов, который может состоять (в идеале, согласно правилу фаз Гиббса) из одной, двух или трех фаз. Эти точки образуют области, разделенные границами, которые отражают "фазовое поведение" системы при постоянной температуре и давлении. Однако диаграмма Гиббса является эмпирическим визуальным представлением состояния системы и может как отражать, так и не отражать истинное число фаз в заданном составе. Кажущиеся прозрачными однофазные системы все же могут состоять из нескольких изотропных фаз (например, кажущиеся прозрачными микроэмульсии гептана/АОТ/воды состоят из нескольких фаз). Поскольку эти системы могут находиться в равновесии с другими фазами, многие системы, особенно с высокими объемными долями обеих несмешивающихся фаз, могут быть легко дестабилизированы любым фактором, изменяющим это равновесие, например, высокой или низкой температурой или добавлением веществ, модифицирующих поверхностное натяжение. Тем не менее, существуют примеры относительно стабильных микроэмульсий. Считается, что механизм удаления кислоты, накапливающейся в моторных маслах автомобилей, связан с микроэмульсиями с низким содержанием водной фазы типа "вода в масле" (w/o). Теоретически, транспортировка капель кислоты через моторное масло к микродисперсным частицам карбоната кальция в масле должна быть наиболее эффективной, когда капли кислоты достаточно малы для переноса одного иона водорода (чем меньше капли, тем больше число капель кислой воды и тем быстрее нейтрализация). Такие микроэмульсии, вероятно, очень стабильны в широком диапазоне повышенных температур.
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.