Ćwiczenie nr 2 OTRZYMYWANIE EMULSJI ORAZ BADANIE ICH WŁAŚCIWOŚCI CZĘŚĆ TEORETYCZNA Emulsja jest układem koloidalnym, składającym się z co najmniej dwóch, niemieszających się ze sobą cieczy (polarnej i niepolarnej), z których jedna jest zdyspergowana w drugiej w postaci kropel. Faza rozpraszająca nazywana jest inaczej fazą zewnętrzną, bądź też ośrodkiem dyspersyjnym. Z kolei rozproszona (zdyspergowana) to wewnętrzna. Podział emulsji: a) proste - typu olej w wodzie (O/W) - stanowią dyspersję kropel niepolarnej fazy tłuszczowej w polarnej fazie wodnej, - typu woda w oleju (W/O) - warstwa jest fazą zdyspergowaną, natomiast olej - fazą zewnętrzną. b) złożone - podwójne - O/W/O lub W/O/W, - wielokrotne - poszczególne fazy emulsji są w sobie nawzajem pozamykane (np. w/o/w/o), - dwuemulsje - kropelki wewnętrznej fazy olejowej zawierają oleje różnego typu. Emulsje proste typu W/O typu O/W Emulsje złożone - podwójne typu O/W/O typu W/O/W 1
Metody otrzymywania emulsji: 1) mechaniczne wstrząsanie cieczy niemieszających się (w odpowiednich wytrząsarkach, bądź wymieszanie przy użyciu szybko obracających się mieszadeł); 2) stosowanie ultradźwięków - dwie niemieszające się ze sobą ciecze umieszcza się w polu ultradźwiękowym o oscylacji kilkuset tysięcy drgań na sekundę; pod wpływem oscylacji następuje emulgowanie z wytworzeniem nawet bardzo stężonych emulsji. Obecnie najczęściej stosowane są metody mechaniczne przy czym podczas dyspergowania dodaje się substancji zwanej emulgatorem. Cząsteczki emulgatora gromadząc się bowiem na granicy faz, stabilizują układ. Dzięki emulgatorowi cząstki fazy rozproszonej są od siebie oddzielone, co zapobiega ich łączeniu się. Rodzaje emulgatorów: 1) Emulgatory naturalne (rzekome): a) związki wielkocząsteczkowe (emulgatory koloidalne polisacharydy takie, jak skrobia, agar, guma arabska) pęczniejąc w wodzie, zwiększają lepkość roztworu (przy większej lepkości cząsteczki zemulgowane mają utrudnioną możliwość poruszania się, dzięki czemu spada prawdopodobieństwo ich stykania się i zlewania), b) pyły nierozpuszczalnych ciał stałych (np. krzemionka, tlenek glinu) - mechanicznie utrudniają łączenie się cząstek fazy zdyspergowanej. 2) Tenzydy (surfaktanty) - są związkami powierzchniowo czynnymi. Wykazują one charakter amfifilowy, co oznacza, że składają się z części hydrofilowej (wykazującej powinowactwo do związków o budowie polarnej) i hydrofobowej (charakteryzującej się powinowactwem do związków niepolarnych). Dzięki temu w emulsji cząsteczki emulgatora ustawiają się na granicy faz (skierowując się częścią hydrofilową do fazy wodnej, zaś hydrofobową - do fazy olejowej) i powodują zmniejszenie napięcia międzyfazowego. Gdy napięcie międzyfazowe pomiędzy składnikami emulsji jest bardzo małe, możliwy staje się samorzutny proces emulgowania pod wpływem ruchu cieplnego cząsteczek, w wyniku czego powstają emulsje trwałe termodynamicznie. ciecz polarna emulgator emulsja typu O/W ciecz niepolarna emulsja typu W/O 2
Podział tenzydów: a) jonowe - anionowo czynne (stearynian sodu, palmitynian wapnia laurylosiarczan sodu, saponiny) - kationowo czynne (np. chlorek dodecyloamoniowy) b) niejonowe - alkohole (np. stearylowy) - estry (np. lanolina, Span - częściowe estry kwasów tłuszczowych sorbitolu i jego bezwodników, Tween - oksyetylenowane estry sorbitolu i kwasów tłuszczowych ) - etery (np. Brij, Poloxamer ) c) amfoteryczne - w zależności od ph stają się związkami anionowo- lub kationowo czynnymi (np. lecytyna). Typ powstającej emulsji jest w dużym stopniu uzależniony od rodzaju użytego emulgatora. Opracowana przez Griffina liczbowa skala HLB (ang. Hydrophilic-Lipophilic Balance) jest ujęciem liczbowym równowagi między częścią hydrofilową i hydrofobową. Tradycyjnie dla tenzydów niejonowych przyjmuje ona wartość od 0 do 20, zaś dla jonowych - jest znacznie większa od 20. Skala HLB umożliwia klasyfikację emulgatorów wg ich zdolności do tworzenia danego typu emulsji: emulgatory lipofilowe, trudno rozpuszczalne w wodzie, umożliwiające utworzenie emulsji typu W/O posiadają wartości HLB od 3 do 9, emulgatory dobrze rozpuszczalne w wodzie, a słabo w oleju, powodujące powstanie emulsji typu O/W mają wartości HLB od 10 do 20. Zastosowanie mieszaniny dwóch lub kilku emulgatorów w odpowiednich proporcjach, pozwala uzyskać emulsje trwalsze niż przy użyciu tylko jednego emulgatora. Metody określania typu emulsji: A metoda rozcieńczania emulsja ulega rozcieńczeniu w cieczy, która dobrze miesza się z fazą rozpraszającą; niewielka ilość emulsji typu O/W dodana do wody rozpuszcza się w niej, natomiast po umieszczeniu w oleju - tworzy odrębną fazę; B. metoda bibułowa/zwilżania - emulsja typu O/W naniesiona na bibułę rozpływa się po niej, z kolei emulsja typu W/O tworzy na niej kroplę; C. metoda badania przewodnictwa elektrycznego - pomiaru przewodności dokonuje się za pomocą konduktometru - emulsje typu O/W wykazują wysokie przewodnictwo. 3
D metoda barwienia - selektywnie wybarwia się fazę wodną lub olejową emulsji, poprzez dodanie do niej barwnika hydrofilowego (np. błękitu metylenowego) lub hydrofobowego (np. Sudan). Obserwację wybarwienia fazy rozpraszającej lub rozproszonej (zależnie od zastosowanego barwnika) przeprowadza się pod mikroskopem. Starzenie się emulsji polega na stopniowej przemianie jej struktury, prowadzącej do rozwarstwienia, koagulacji bądź nieznacznych zmian rozmiarów tworzących emulsję cząstek. Podział procesów starzenia się emulsji: 1) śmietanowanie (kremowanie) i sedymentacja (odstawanie) - wynikają ze znacznych różnic ciężaru właściwego obu faz tworzących emulsję (w ich efekcie dochodzi do powolnego rozwarstwienia); procesy te można łatwo odwrócić przez powtórne zmieszanie obu warstw: - śmietanowanie - zachodzi, gdy zdyspergowana jest lżejsza od rozpraszającej; - sedymentacja - polega na przemieszczaniu się (pod wpływem działania grawitacji) cząstek cięższej fazy rozproszonej na dno naczynia; śmietanowanie sedymentacja 2) flokulacja - jest pierwszym etapem koagulacji emulsji, - polega na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej (ale bez ich zlewania się ze sobą) we flokuły (kłaczki) wpływa to negatywnie na strukturę, właściwości i stabilność emulsji, - czasami proces flokulacji można odwrócić poprzez wstrząsanie emulsji; 3) koalescencja - jest drugim etapem koagulacji emulsji, - zachodzi, kiedy w emulsji nie ma wystarczającej ilości stabilizatora - dzięki ruchom Browna micele zderzają się ze sobą i łączą się, - jest to proces nieodwracalny, który w konsekwencji prowadzi do rozbicia emulsji. 4) złamanie emulsji rozkład emulsji na dwie osobne warstwy. 4
flokulacja koalescencja złamanie emulsji 5) inwersja faz emulsji - polega na nagłej zmianie typu emulsji - zdyspergowana staje się rozpraszającą, a wcześniejsza zewnętrzna grupuje się w micele; - proces ten wywołują takie czynniki, jak: niewystarczająca ilość surfaktanta (bądź nieodpowiedni jego rodzaj), zbyt wysokie stężenie fazy rozproszonej, czy też duże zmiany temperatury; 6) Ostwaldowskie dojrzewanie emulsji - proces ten ma związek z ciśnieniem wewnątrz miceli, które jest wyższe niż w fazie rozpraszającej (dlatego też rozpuszczalność fazy wewnętrznej jest wyższa w mniejszych micelach niż w większych). Podczas długiego przechowywania emulsji różnica ciśnień prowadzi do dyfuzji składników emulsji fazy rozproszonej z mniejszych miceli do większych, co prowadzi z kolei do zaniku małych miceli na rzecz dużych. Efektem końcowym jest obniżenie stabilności emulsji. 5
Sprzęt: CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA wysokie probówki z korkiem zlewki na 25 ml płytka porcelanowa z wgłębieniem bagietka bibuła filtracyjna pipetki pasteurowskie pipety automatyczne (1-5 ml - 1 sztuka, 1000 μl 1sztuka, 500 μl 1sztuka) linijka timer laboratoryjny papier milimetrowy marker do szkła Odczynniki: olej roślinny wodny roztwór błękitu metylenowego emulgatory: Span85, Tween85, mieszanina Tween20 i Span85 Wykonanie: Doświadczenie wykonywane jest w 3 zespołach, z których każdy dzielony jest na 2 podzespoły. W obrębie danego zespołu pierwszy podzespół przygotowuje emulsje bez emulgatora, zaś drugi - z określonym emulgatorem (1.Span85, 2.Tween85 lub 3.mieszanina Span85 i Tween20). 1. Przygotować po 7 emulsji w dwóch seriach (seria 1 - bez emulgatora, seria 2 - z określonym emulgatorem). W tym celu do każdej z probówek dodać określone (podane w Tab.1.) objętości poszczególnych składników. Probówki zamknąć za pomocą korków i energicznie wstrząsać przez określony czas (seria 1: zespół 1-10s, zespół 2-15s, zespół 3-20s; seria 2: 10s). 2. Po określonym, podanym w Tab.1 czasie (mierzonym od momentu utworzenia emulsji), zmierzyć za pomocą linijki wielkość fazy olejowej i wodnej. Uwaga! W przedziale czasowym 0-5 min. prowadzić obserwację ciągłą zanotować ewentualne odnotowane zmiany. 3. Po zakończeniu wszystkich pomiarów probówki z serii 2 zakorkować i energicznie wstrząsać przez 10s, po czym określić typ emulsji (O/W, W/O), stosując metodę rozcieńczania (w 2 opcjach) i bibułową: A metoda rozcieńczania: 1. Na płytce porcelanowej z wgłębieniem za pomocą pipetki Pasteura umieścić kroplę danej emulsji, a następnie kroplę wody destylowanej i delikatnie zamieszać. Jeżeli emulsja zmiesza się z wodą - jest typu O/W. Analogiczne doświadczenie przeprowadzić z fazą 6
niepolarną (zmieszanie się kropel dowodzi, że olej jest w emulsji fazą rozpraszającą, a więc emulsja jest typu W/O). 2. Do 7 zlewek nalać 5 ml wody destylowanej. Następnie do każdej z nich wprowadzić 3 krople danej emulsji i delikatnie zamieszać. Jeżeli emulsja ulegnie rozproszeniu lub samoistnemu rozpłynięciu się jest typu O/W. B. metoda bibułowa: - za pomocą pipetki Pasteura kroplę badanej emulsji umieścić na bibule filtracyjnej (emulsja typu O/W rozpływa się po bibule, a emulsja typu W/O tworzy na niej kroplę). Opracowanie wyników: 1. Wyniki pomiarów umieścić w Tab.1. 2. Przedstawić graficznie zależność wielkości rozdzielających się faz (olejowej i wodnej) od czasu dla każdej serii. 3. Wypisać wnioski z uzyskanych pomiarów. 4. Biorąc pod uwagę, że wartości HLB poszczególnych emulgatorów wynoszą: - Tween20-16,7, - Tween85-11,0, - SPAN85-1,8, obliczyć proporcje 2 różnych emulgatorów (Tween20 i SPAN85 oraz Tween85 i SPAN85), jakie musiałyby być zastosowane celem uzyskania trwałej emulsji o żądanej dla oleju roślinnego wartości HLB: 10 (emulsja typu O/W) i 5 (emulsja typu W/O). 7
Tab.1. Nr Objętość składników [ml] Czas obserwacji [min.] 5 15 25 35 45 60 olej woda emulg. 1-1. 1,0 7,0 0 SERIA 1 1-2. 2,0 6,0 0 1-3. 3,0 5,0 0 1-4. 4,0 4,0 0 1-5. 5,0 3,0 0 1-6. 6,0 2,0 0 1-7. 7,0 1,0 0 2-1. 1,0 7,0 0,5 SERIA 2 2-2. 2,0 6,0 0,5 2-3. 3,0 5,0 0,5 2-4. 4,0 4,0 0,5 2-5. 5,0 3,0 0,5 2-6. 6,0 2,0 0,5 2-7. 7,0 1,0 0,5 8
9