Эмульсии пены

 
 

    Эмульсиями называются дисперсные системы, в которых дисперсионная

среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии. Эмульсии являются

обычно грубодисперсными системами. Такие системы часто  встречаются в

природе, например, молоко, млечный сок каучуконосных растений. В первом

случае жир, а во втором - углеводород каучука диспергированы в воде. Оба

эти вещества почти  совершенно не растворяются в дисперсионной  среде т.е. в

воде. Таким образом, эмульсии - это микрогетерогенные  системы, состоящие из

двух практически  взаимно-нерастворимых жидкостей, которые  очень сильно

отличаются от друг-друга по характеру молекул. Если одна из жидкостей

является полярной, например вода, то вторая - должна быть неполярной или

малополярной, например, органическая жидкость.

    Малополярные органические жидкости - бензол, бензин, керосин, анилин,

масло и др.,- независимо от их химической природы, называют маслом.

На практике чаще всего встречаются водные эмульсии, т.е. эмульсии в

которых одной из двух жидкостей является вода. Такие  эмульсии

подразделяются на два типа: масло в воде (сокращенно - м/в) и вода в масле

(м/в). В эмульсиях первого типа (прямых) масло является дисперсионной

фазой, а вода - дисперсионной  средой. В эмульсиях второго типа (обратных)

вода является раздробленной  в виде капелек дисперсной фазой, а масло -

дисперсионной средой.

   Для получения эмульсии две несмешивающиеся жидкости подвергают

процессу эмульгирования, состоящему в том, что механическим встряхиванием,

разбиванием особыми  лопастными мешалками или продавливанием через узкие

щели жидкости раздробляются  друг в друге. В технике имеется  большое число

механизмов, где диспергирование  осуществляется или благодаря простому

разбиванию сравнительно больших капель на более мелкие, или растяжением

жидкости в пленку, которая, разрываясь, дает массу мелких капелек. Для

получения особовысокодисперсных  эмульсий применяется ультразвуковой метод.

Эмульсии, полученные из чистых жидкостей, обычно очень неустойчивые,

капельки при соприкосновении  друг с другм сливаются и дисперсная система

постепенно расслаивается  на две несмешивающиеся жидкости. Неустойчивость

эмульсий объясняется  наличием избыточного запаса свободной  поверхности на

границе фаз, что  выражается большим поверхностным  натяжением. Процесс

расслоения эмульсии идет самопроизвольно, так как при  этом система большей

степени дисперсности, с большей свободной поверхностной  энергией переходит

в малодисперсную систему, уменьшая поверхностное натяжение. Процесс

самопроизвольного слияния жидких капель, который заканчивается расслоением

эмульсии на составляющие её жидкости, называется коалесценцией.

    Подобно коллоидным системам, получение устойчивых эмульсий возможно

только в присутствии  веществ, которые, адсорбируясь на поверхности  капелек,

препятствуют их слиянию и придают системе  агрегатную устойчивусть.

Вещества, которые  обуславливают устойчивость (стабильность) эмульсии

называются эмульгаторами.

    По своим свойствам, в первую очередь по агрегатной устойчивости,

эмульсии делятся  на две группы: эмульсии разбавленные, в которых

концентрация дисперсионной  фазы мала (меньше 1%), и эмульсии

концентрированные, в которых концентрация дисперсной фазы значительна

(объемная концентрация  превышает 1%).

    Разбавленные эмульсии характеризуются своей устойчивостью в

отсутствии специального эмульгатора (стабилизатора). Обычно концентрация

таких эмульсий не превышает 0,1 - 0,01%, благодаря чему вероятность

столкновения образующих их капелек дисперсной фазы очень  невелика. Такие

системы ведут себя вполне аналогично лиофобным золям. Их относительная

устойчивость определяется существованием на поверхности капелек  эмульсии

двойного электрического слоя. Необходимое для этого минимальное  количество

электролита всегда находится в употребляемом масле  в виде примесей.

     В концентрированных эмульсиях в отличие от разбавленных при сколько-

нибудь значительной концентрации дисперсной фазы, слияние капелек

происходит с большей  скоростью и эмульсия за короткий промежуток времени

разделяется на два  слоя. Получение устойчивых концентрированных  эмульсий

возможно только в присутствии специальных эмульгаторов.

     Эмульгаторы, в зависимости от их химической природы, могут

стабилизировать эмульсию как путем понижения межфазного поверхностного

натяжения, придания частицам эмульсии электрических зарядов, одинаковых по

знаку, так и путем  образования из эмульгатора на поверхности  капелек

механически прочных  магнитных пленок. Такие пленки защищают частицы

эмульсии от взаимного  слияния при их столкновении, причем этот фактор может

быть более важным, чем действие электрических зарядов. Особенно это

относится к концентрированным  эмульсиям, в которых эмульгаторы, сообщающие

только заряд частицам, уже не обеспечивают устойчивости.

    К эмульгаторам, способным образовывать прочные защитные пленки,

относятся высокомолекулярные соединения, например, сапонин, белки (желатин,

казеин), каучук, смолы, соли жирных кислот (мыла) и др. Указанные  вещества,

особенно мыла, обладая  некоторой поверхностной активностью, адсорбируются

на поверхности  капель эмульсии и образуют структурированную  оболочку,

которая является вязкой, прочной и упругой. При соударении частиц такая

оболочка обычно не разрушается и не выдавливается, благодаря чему эмульсии

и приобретают высокую  устойчивость.

      Наибольший  интерес представляют собой желатированные или твердые

эмульсии. В них, как  и в подобных суспензиях, стабилизирующее  действие

эмульгатора переходит  в структуризующее.

      Желатированные эмульсии характеризуются большой устойчивостью,

прочностью и другими  механическими свойствами, которые  обусловлены наличием

в них тончайшей  структуры. Эта структура - сетка-каркас из двухмерного

студня, построенного из высокополимерного эмульгатора. Примерами таких

эмульсий являются консистентные смазки, маргарин, сливочное  масло, густые

кремы. Обычными эмульсиями являются молоко, сливки, жидкости, применяемые

при обработке металлов.

      Эмульсии  со временем разрушаются. В  некоторых случаях возникает

необходимость ускорить разрушение эмульсий, например, разрушение эмульсии в

сырой нефти. Ускорить процесс разрушения можно всеми  путями, ведущими к

уменьшению прочности  защитной пленки эмульгатора и увеличению возможности

соприкосновения частиц друг с другом.

      Методов  разрушения эмульсии (деэмульгирования) очень много. Наиболее

важными из них являются следующие:

      1. Химическое  разрушение защитных пленок эмульгатора,  например,

         действием сильной минеральной  кислоты.

      2. Прибавление  эмульгатора, способного вызвать  обращение фаз эмульсии

         и снижающего этим прочность защитной пленки.

      3. Термическое  разрушение - расслоение эмульсий  нагреванием. С

         повышением температуры уменьшается  адсорбция эмульгатора, что ведет

         к разрушению эмульсии.

      4. Механическое  воздействие. К этому методу  относится механическое

         разрушение стабилизированных пленок, например, сбивание сливок в

         масло. Центрифугирование также  относится к механическому

         воздействию.

      5. Действие  электролитов вызывает разрушение  эмульсий,

стабилизированных электрическим зарядом частиц.

      Эмульсии  находят применение во многих  химико-технологических

процессах - в мыловарении, в производстве молочных продуктов, в

производстве эмульсионных красок, в производстве каучуков путем

полимеризации, в  производстве пластмасс и в других производствах. 
 
 

    Пены ячеистые дисперсные системы, представляющие собой совокупность пузырьков газа (пара), разделённых тонкими прослойками жидкости. Пены, по размеру пузырьков относятся к грубодисперсным системам; размер пузырьков, составляющих дисперсную фазу, лежит в пределах от долей мм до нескольких см. Общий объём заключённого в них газа может в сотни раз превосходить объём дисперсионной среды — жидкости, находящейся в прослойках. Отношение объёма пены к объёму жидкой фазы называется кратностью пены. При формировании высокократных пен пузырьки превращаются в многогранные (полиэдрические) ячейки, а жидкие прослойки — в плёнки толщиной несколько сотен, иногда несколько десятков нм. Такие плёнки образуют пространственный каркас, обладающий некоторой упругостью и прочностью. Поэтому пены имеют свойства структурированных систем. Одна из основных характеристик пен— устойчивость, определяемая по времени уменьшения на 50% объёма или высоты слоя пены, изменению её дисперсности и др. методами.

         Образование пены, или вспенивание, происходит при диспергировании газа в жидкой среде и во время выделения новой газовой фазы в объёме жидкости. Возникновение устойчивых высокодисперсных пен обусловлено присутствием в жидкости стабилизаторов пен, или пенообразователей. Эти вещества облегчают вспенивание и затрудняют отток жидкости (дренаж) из пенных плёнок, препятствуя коалесценции (слиянию) пузырьков. Действуют они так же, как стабилизаторы эмульсий и лиофобных коллоидных систем: снижают поверхностное натяжение и создают адсорбционно-сольватный слой с положительным расклинивающим давлением. В водных средах особенно эффективны мыла, мылоподобные поверхностно-активные вещества и некоторые растворимые полимеры, образующие на границе жидкости с газом слои с явно выраженными структурно-механическими свойствами. Увеличение вязкости дисперсионной среды повышает устойчивость пен. Чистые жидкости с низкой вязкостью не образуют пен.

         Устойчивые и обильные пены с двуокисью углерода в качестве газовой фазы широко используют как средство тушения пожаров. Пены для этой цели получают с помощью пенных огнетушителей и разного типа пеногенераторов. Пенную флотацию применяют при обогащении полезных ископаемых. Вспенивание жидких и полужидких продуктов с последующим отверждением полученных пен имеет важное значение в производстве многих пищевых продуктов: хлеба, бисквитов, разнообразных кондитерских изделий, кремов и др. Твёрдые строительные и конструкционные ячеистые материалы (пеностекло, пеношлаки, пенопласты, пористые резины и т. д.) также получают вспениванием первоначально жидких суспензий, расплавов, растворов или полимерных композиций.

         Ряд технологических процессов,  особенно в химической, текстильной  и пищевой промышленности, сопровождается  нежелательным пенообразованием. Для разрушения пен (пеногашения) или предупреждения их образования используют противопенные вещества, или пеногасители. Эффективные пеногасители — поверхностно-активные вещества, вытесняющие с поверхности жидкости пенообразователи, но сами не способные обеспечить стабилизацию пен. К их числу относятся различные спирты, эфиры, алкиламины. Иногда пены разрушают воздействием высоких температур, механическим путём или просто «отстаиванием». 
 
 
 

Аэрозолями называются системы, состоящие из очень мелких, невидимых невооруженным глазом жидких или твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газообразной среде, чаще всего в воздухе. Аэрозоли встречаются в природе, например, в виде туманов – очень мелких капель воды во взвешенном состоянии в воздухе, и дымов – мелких твердых частиц различных веществ, диспергированных в воздухе. Помимо природных аэрозолей выделяют группу искусственных.

Они являются продуктом  как ненаправленной деятельности человека, например, при добыче полезных ископаемых, в производстве цемента и в  других отраслях производства – тогда  образуются вредные вещества в виде туманов или дымов, так и сознательной деятельности, когда они создаются с определенной целью.

Аэрозоли различных  веществ нашли широкое применение в медицине, где путем распыления в воздухе антибиотиков и других лекарственных препаратов осуществляется эффективное лечение легочных и  других заболеваний; при дезинфекции  и дезинсекции, где аэрозольный  метод дает не только быстрый эффект, но и значительную экономию активных веществ, так как последние расходуются  в значительно меньшем количестве. Важную роль играют аэрозоли в защите сельскохозяйственных и лесных культур от вредителей, а также в защите скота и птиц от паразитов и болезней. Аэрозольный способ применения экономически очень выгоден, так как он сокращает удельный расход химиката (в 5-10 раз), повышает эффект его действия и сокращает затраты труда на обработку. Чем же объясняется высокая эффективность действия аэрозолей? Известно, что увеличение поверхности препарата сопровождается увеличением его активности.

Известно также, что  чем тоньше вещество распыляется, тем  более значительную активную поверхность  оно приобретает. Незначительное количество вещества, распыленное в виде тумана, занимает довольно большой объем. Для  обеспечения желаемого действия распыленного вещества на определенный объект требуется рассчитать его  количество, которое при распылении создаст необходимую концентрацию. Расход вещества при этом минимальный, а действие – мгновенное. Подобные свойства присущи только аэрозольным  системам, и в этом их основное преимущество перед другими состояниями вещества.

Частицы, видимые  невооруженным глазом и быстро оседающие  после распыления, можно получить при помощи опрыскивателей различных  типов и обыкновенных пульверизаторов. Для получения более мелких частиц применяют различные типы генераторов, которые требуют специального аппаратурного  оформления или добиваются образования  туманов и дымов термическими методами. В бытовых условиях почти  единственным средством получения  жидких и порошкообразных аэрозолей  является устройство, получившее повсеместное название «аэрозольная упаковка». Именно продуктам в аэрозольной упаковке посвящена данная статья.

Вещество в него упаковывается под давлением  и распыляется при помощи сжиженных  или сжатых газов. Такое распыление отличается от обычной пульверизации  тем, что размеры единиц можно  регулировать, изменяя соотношения  распыляемого вещества и сжиженного газа в упаковке. Эта возможность  обеспечивает максимальный эффект распыленного препарата в соответствующих  условиях применения.

Так, медицинские  препараты, инсектициды и другие вещества, которые должны обладать быстрым действием и некоторое  время находиться во взвешенном состоянии, распыляют в виде мельчайших, невидимых  человеческим глазом частиц. Но такие  препараты, как масло для загара, полирующие средства и другие, предназначенные  для нанесения на поверхность, нецелесообразно  распылять настолько мелко, так  как это только может снизить  эффект их действия. Имеется еще  одно различие между распылением  вещества при помощи аэрозольной  упаковки и обычным пульверизатором.

Размеры частиц, полученных при помощи аэрозольной упаковки, в отличие от частиц, полученных обычной пульверизацией, колеблются в весьма небольших пределах.

Итак, аэрозольная  упаковка позволяет в бытовых  и промышленных условиях быстро и  без лишних затрат труда распылять  жидкие и порошкообразные вещества в виде частиц заданного размера.

Благодаря своему удобству, аэрозольные упаковки нашли широкое  применение и для продуктов, не требующих  высокодисперсного распыления (лаков, крахмала и даже кремов для бритья, зубных паст, взбитых сливок и т. п.). Аэрозольная упаковка проста по устройству и всегда готова к применению. Она состоит из металлического (алюминиевого или жестяного), пластмассового или  стеклянного баллона, клапанного устройства с распылительной головкой и сифонной трубкой и защитного колпачка. Колпачок предохраняет распылительную головку от нечаянного нажима. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербургский  Государственный Технологический  институт (Технический университет)

                                      Кафедра коллоидной химии 

                                  Учебная дисциплина:

"Поверхностные  явления и дисперсные  системы" 

Реферат на тему:

«Эмульсии, пены, аэрозоли».

 
 

                                                              Студент:  Старостина В.В. 

                                                            Руководитель: Наумов В.Н.       

                                                          Группа: 5491

 
 
 
 
 
 

2011 г