Эффективные стабилизаторы эмульсий

Обычно под эмульсиями подразумевают жидкие дисперсные системы, состоящие из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде). Эмульсии могут быть образованы любыми двумя несмешивающимися жидкостями; в большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода, а другой — вещество, состоящее из слабополярных молекул (например, жидкие углеводороды, жиры). Одна из первых изученных эмульсий — молоко. В нём капли молочного жира распределены в водной среде. Эмульсии широко используются в различных отраслях промышленности: при производстве лекарственных и косметических средств, в пищевой и химической промышленности и мн. др.

Большинство эмульсий формируются путем механического, акустического или электрического воздействия на систему двух жидкостей (диспергирование), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов (или стабилизаторов) — веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слипанию) микрокапель. Эффективные эмульгаторы — поверхностно-активные вещества, полимеры, а также некоторые высокодисперсные твёрдые коллоидные частицы (например, оксид кремния). Эмульсии, стабилизированные твердыми частицами, обычно называют эмульсиями Пикеринга (в честь С.У. Пикеринга, который описал явление в 1907). В них частицы адсорбируются на межфазные границы жидкостей, существенно уменьшая поверхностную энергию, а значит увеличивая устойчивость эмульсий. Радиус кривизны формирующихся капель определяется коэффициентами поверхностного натяжения (контактным углом), контролирующими глубину погружения частиц в каждую из жидкостей, радиусом нано- или микрочастиц, а также их шероховатостью. Как правило, твердые частицы практически не чувствительны к внешним воздействиям и, будучи адсорбированными на границе, их сложно десорбировать и контролировать размер капель эмульсии. Другим недостатком является слабая проницаемость границ для веществ, растворенных в эмульсии (если поверхностная плотность частиц достаточно велика).

Использование нано- и микрогелей в качестве стабилизаторов эмульсий является новым перспективным подходом, который позволяет создавать чувствительные к внешним воздействиям эмульсии с проницаемыми межфазными границами. Нано- и микрогели — «мягкие» коллоидные частицы сетчатой структуры, состоящей из химически сшитых полимерных цепей (см. рисунок 1).

Состав, размер, морфологию и восприимчивость таких частиц можно варьировать в широких пределах в зависимости от области применения. Они, как правило, обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям (T, hv, pH и др.), способностью набухать в растворителях и абсорбировать различные вещества.

В недавней работе1 нами было проанализировано поведение термочувствительных микрогелей (pNIPAm) с различной внутренней структурой на межфазной границе вода-масло, используя методы Ленгмюра–Блоджетт и диссипативной динамики частиц компьютерного моделирования. Были изучены частицы, у которых твердое ядро оксида кремния окружено «мягкой» оболочкой микрогеля (CS частицы) и полые микрогели (HS частицы), см. рисунок 2.

Рис. 1. Схематичное представление структуры полимерного микрогеля.

При комнатной температуре вода является хорошим растворителем для микрогелей, в то время как масло — плохим. Поэтому при адсорбции на межфазную границу, бо'льшая часть частицы погружена в водную фазу, меньшая — в масло. Было изучено, как изменение температуры в системе влияет на изменение структуры и формы микрогелей. В частности было показано, что все микрогели деформируются на межфазной границе, причем наибольшее «растекание» по поверхности демонстрируют полые (HS) микрогели, см. рисунок 2. Наличие твердой наночастицы в микрогеле придает ему дополнительную жесткость, что хорошо видно на изотермах сжатия и подтверждается в моделировании (рисунок 2). Интересным предсказанием является то, что полость внутри HS микрогеля, адсорбированного на межфазной границе, не схлопывается ни при низких, ни при высоких температурах и остается заполненной водой (рисунок 2). Полученные результаты имеют важное практическое значение для создания эмульсий, чувствительных к внешним воздействиям.

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования адсорбции различных частиц микрогеля на межфазной границе двух жидкостей.

Способность управлять набуханием и деформацией микрогелей на межфазных границах позволяет изменять кривизну межфазной границы или десорбировать частицы и тем самым контролируемым образом разрушать, стабилизировать или инвертировать эмульсию не изменяя состав исходной смеси.

Результаты исследования опубликованы в статье:

1) K. Geisel, A. A. Rudov, I. I. Potemkin, W. Richtering. “Hollow core−shell microgels at oil−water interfaces: Spreading of soft particles reduces the compressibility of the monolayer”, Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids, 31, 13145–13154 (2015) и представлены на обложке журнала Langmuir, см. Рисунок 2.

Проф. И.И. Потёмкин, к.ф.-м.н. А. А. Рудов, кафедра физики полимеров и кристаллов

Назад