خواص امولسیون و کاربردهای آن

امولسیون مخلوطی از دو یا چند نوع مایع غیر قابل امتزاج است که یکی از آنها به شکل قطراتی کوچک یا حتی اولترامیکروسکوپی در دیگری توزیع می شود.

این ترکیبات معمولاً از اجزای مایعات به شکل طبیعی یا بیشتر اوقات با استفاده از مکانیسم هایی مانند هم زدن تولید می شوند.گفته می شود امولسیون توسط برخی از عوامل تشکیل دهنده فیلم در سطح قطرات یا آنهایی که نوعی ثبات مکانیکی به آنها می دهند، تثبیت می شود.

شکل ناپایدار امولسیون در نهایت به دو یا چند لایه مایع مجزا می شود. امولسیون های پایدار با از بین بردن یا غیرفعال کردن عامل امولسیون از بین می روند به عنوان مثال با افزودن مواد مناسب یا حتی با فرایند انجماد یا گرم شدن.

امولسیون چیست؟
یک امولسیون می تواند به عنوان کلوئیدی متشکل از دو یا چند نوع مایع غیر همگن تعریف شود که در آن یکی از مایع ها حاوی اشکال پراکندگی مختلفی از مایعات است. در تعریف امولسیون علوم هشتم به این موارد پرداخته شده است. این ترکیبات از طریق تکان دادن، هم زدن، هموژنیزه کردن یا با تکنیک فرا صوت تولید می شود.

انواع امولسیون:
امولسیون ها را می توان بر اساس خواص فاز پراکنده و محیط پراکندگی طبقه بندی کرد.

روغن در آب (O / W):
در این ترکیب روغن فاز پراکنده و آب محیط پراکندگی خواهند بود. بهترین مثال برای امولسیون o / w شیر است. در شیر، گویچه های چربی (که به عنوان فاز پراکنده عمل می کنند) در آب معلق می شوند (که به عنوان محیط پراکندگی عمل می کند).

آب در روغن (w / o):
در این نوع از محلول ها آب فاز پراکنده و روغن محیط پراکندگی خواهند بود. مارگارین که برای طعم دادن، پخت و کار استفاده می شود نمونه ای از امولسیون آب در روغن است.

مثال امولسیون:
این محلول ها در اصل شامل پراکندگی دو مایعی هستند که با یکدیگر مخلوط نمی شوند. یکی از مایعات به عنوان محیط پراکندگی و دیگری به عنوان فاز پراکنده عمل می کنند. به عبارت ساده، امولسیون ها کلوئیدهایی هستند که در آنها فاز پراکنده و محیط پراکندگی مایع است. مخلوط آب و روغن رایج ترین این ترکیبات هستند.

اصطلاح امولسیون همچنین به گروهی از سیستم های مخلوط گفته می شود که به عنوان محلول، ژل یا سوسپانسیون نامیده می شوند. به عنوان مثال، امولسیون عکاسی یک ترکیب ژلاتینی است که از بلورهای ریز پخش شده در آن تشکیل شده است. برخی دیگر از نمونه های امولسیون شامل کره است که امولسیون آب در چربی است.

ویژگی های امولسیون:
این محلول ها حاوی یک مرز مداوم و پراکنده هستند که در مرز بین آنها یک فاز بینابینی وجود دارد که به آن فاز رابط می گویند. امولسیون ها به این دلیل ظاهری ابری دارند که از بسیاری از فازهای رابط تشکیل شده اند که نور عبوری از این ترکیبات را پخش می کنند وقتی نور به نسبت مساوی پخش شود این ترکیبات به رنگ سفید ظاهر می شوند.

اگر امولسیون رقیق باشد، نور با فرکانس بالاتر و طول موج کمتر در کسر بیشتری از مایع پراکنده می شود و این نوع امولسیون به رنگ آبی ظاهر می شود. از این پدیده به عنوان اثر تیندال نیز یاد می شود. اگر امولسیون غلیظ باشد رنگ آن تحت تأثیر طول موج های بلندتر زرد خواهد شد.

عوامل امولسیفایر:
این ترکیبات موادی هستند که به منظور تثبیت به امولسیون ها به آنها اضافه می شوند. مشخصات مختلف امولسیفایرها در زیر آورده شده است:

آنها موادی هستند که دارای انتهای آب دوست (قطبی) و همچنین انتهای آبگریز (غیر قطبی) هستند و هم در آب و هم در روغن محلول هستند.

این ترکیبات از یک لایه بین فاز پراکنده و محیط پراکندگی تشکیل می دهند، در نتیجه از انعقاد ذرات فاز پراکنده برای تشکیل ذرات بزرگ تر و جدا شدن آنها جلوگیری می کند. امولسیفایرها می توانند کاتیونی، آنیونی یا حتی غیر قطبی باشند.

فقط درصد آب و روغن نیست که نشان می دهد یک امولسیون روغن در آب است یا آب در روغن. نوع این محلول ها از طرف دیگر، بستگی به این دارد که کدام یک از آب و روغن بتوانند امولسیون کننده را به میزان بیشتری حل کنند.

اگر امولسیفایر در آب محلول تر باشد، آب به محیط پراکندگی تبدیل می شود و روغن به فاز پراکنده تبدیل می شود. از طرف دیگر، اگر امولسیفایر در روغن محلول تر باشد، روغن به محیط پراکندگی تبدیل می شود و آب به مرحله پراکنده تبدیل می شود.

امولسیفایرهای متداول برای امولسیون های O / W پروتئین ها، صمغ ها، صابون ها و غیره هستند. امولسیفایرهای رایج برای امولسیون w / o نمک های فلزات سنگین اسیدهای چرب، الکل های با زنجیره طولانی و غیره هستند.

برخی از نمونه های رایج امولسیفایرها عبارتند از زرده تخم مرغ، خردل، سدیم فسفات، DATEM، مونو و دی گلیسیرید، سلولز، لسیتین سویا و غیره.

امولسیفایرها چگونه کار می کنند؟
برای درک این موضوع و ساخت امولسیون ابتدا باید روند انعقاد را درک کنیم. انعقاد فرآیندی است که در آن ذرات مشابه در امولسیون ها با هم جمع می شوند و ذرات بزرگ تر و حجیم تری را به وجود می آورند که منجر به جدا شدن فاز پراکنده و محیط پراکندگی می شود.

امولسیفایرها با ایجاد یک مانع فیزیکی بین فاز پراکنده و محیط پراکندگی در جلوگیری از انعقاد کمک می کنند. همانطور که قبلاً دیده ایم امولسیفایرهایی مانند صابون، هم انتهای آب دوست و هم انتهای آبگریز دارند. از این رو آنها می توانند به هر دو ماده قطبی و غیر قطبی متصل شوند. بیایید استئارات سدیم را مثال بزنیم. C17H35COO - Na را می توان به صورت زیر نشان داد:

هنگامی که این ترکیب به یک امولسیون o / w اضافه می شود، مولکول های C17H35COO- قطره روغن را با دم غیر قطبی / انتهای آبگریز (زنجیره هیدروکربن) خود احاطه می کند و سر قطبی آنها / انتهای آب دوست (یون کربوکسیلات) رو به آب قرار می گیرد همانطور که در شکل آمده است.

این آرایش نیروی چسبندگی قوی تری بین روغن (فاز پراکنده) و آب (محیط پراکندگی) ایجاد می کند. این نیرو بیشتر از نیروی منسجم بین روغن - روغن و آب - آب خواهد بود. از این رو، ذرات روغن تمایل به ادغام و تشکیل ذرات بزرگ تر نخواهند داشت. این امر به جلوگیری از انعقاد ذرات فاز پراکنده و در نتیجه پایداری امولسیون کمک می کند.

توجه داشته باشید که برای امولسیون w / o، جهت امولسیفایر مخالف جهت o / w خواهد بود. یعنی دم غیر قطبی (انتهای آبگریز) به بیرون و سرهای قطبی (انتهای آب دوست) به سمت داخل گسترش می یابد. امولسیون صابون نیز به همین شکل ایجاد می شود.

نظریه های امولسیون سازی:
از آنجا که فرایندها و مکانیسم های مختلفی (اعم از شیمیایی و فیزیکی) در روند امولسیون دخیل هستند، تئوری های مختلفی در رابطه با آن وجود دارد که در ادامه شرح داده شده است:

تئوری کشش سطحی:
این تئوری امولسیون را به عنوان فرایندی بیان می کند یا توصیف می کند که با کاهش کشش سطحی بین دو فاز اتفاق می افتد.

نظریه دافعه: با این نظریه ما می فهمیم که عامل امولسیفایر یک فیلم را در یک فاز تولید می کند که منجر به تشکیل گویچه می شود. این ترکیبات تمایل به دفع یکدیگر دارند و نیروی دافعه ای که بین آنها وجود دارد کمک می کند تا در محیط پراکندگی معلق بمانند.

عوامل ناپایدار کننده امولسیون:
پایداری این ترکیبات به مقاومت آن در برابر عوامل تغییر دهنده بستگی دارد. لختگی، ته نشینی یا خامه ای شدن (Creaming)، انعقاد و تکامل استوالد عوامل ناپایدار کننده این ترکیبات هستند.

مواد فعال کننده سطحی (سورفکتانت ها) پایداری سینتیکی امولسیون ها را افزایش داده و مانع تغییر اندازه قطرات در طول زمان می شوند. به عبارت دیگر اگر پخش شوندگی و اندازه قطرات امولسیون در طول زمان تغییر نکند این محلول پایدار خواهد ماند.

روش هایی برای شناسایی نوع امولسیون ها:
تست رقت:
با افزودن آب به امولسیون o / w، همچنان که آب ماده پراکندگی است، پایدار خواهد ماند، اما با افزودن روغن، به دلیل غیرقابل مخلوط شدن روغن و آب، بی ثبات می شود. به همین ترتیب، امولسیون w / o می تواند با روغن رقیق شود و همچنان پایدار باشد، اما با افزودن آب بی ثبات می شود.

آزمون رسانایی:
در این آزمایش امولسیون بین 2 الکترود نگه داشته شده و یک لامپ به مدار وصل شده است که در نمودار نشان داده شده است. امولسیون o / w همانطور که آب برق را هدایت می کند باعث انتقال الکتریسیته می شود اما w / o برق را انتقال نمی دهد.

تست رنگ:
در این حالت، یک رنگ محلول در آب به محلول اضافه می شود. اگر یک امولسیون O / W باشد، محیط پراکندگی قرمز و فاز پراکنده بی رنگ و بالعکس به نظر می رسد.

جداسازی امولسیون ها:
روشهای مختلفی که می توان این محلول ها را به مایعات تشکیل دهنده آنها تفکیک کرد شامل موارد زیر است:

• گرمایش.
• سانتریفیوژ.
• انجماد و غیره.

میکروامولسیون و نانوامولسیون چیست؟
این ترکیبات با اندازه قطرات کمتر از 100 نانومتر هستند که طول موجی بین 390 تا 750 نانومتر را از خود عبور می دهند. در صورتیکه اندازه ذرات کمتر از 100 نانومتر باشند نور، بدون پراکندگی می تواند در قطرات نفوذ کند.

امولسیون های معمول، به طور ذاتی ناپایدار هستند و باید آن ها را به طور مداوم هم زد ولی میکرو و نانوامولسیون های شفاف از این قانون تبعیت نمی کنند.

کاربردهای ترکیبات امولسیون:
این ترکیبات در زمینه های مختلف علمی بسیار مشهور است. این ماده در صنایع برنزه سازی و رنگرزی، در فرآیند تولید پلاستیک و لاستیک مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرد.

این محلول ها معمولا در لوازم آرایشی، دارویی، بهداشت شخصی استفاده می شوند. از میکروامولسیون برای تولید واکسن جهت از بین بردن میکروب های مختلف استفاده می شود. این ماده در سنتز شیمیایی عمدتاً در ساخت پراکندگی های پلیمری استفاده می شود.

از نانو امولسیون ها مانند روغن سویا برای از بین بردن میکروب ها استفاده می شود. این ترکیبات در اطفاء حریق نیز استفاده می شود.