Föreläsning 8 Kap. 5. Emulsioner och Mikroemulsioner

Transkript

1 Föreläsning 8 Kap. 5. Emulsioner och Mikroemulsioner v1.00 M. Granfelt v1.01 NOP/LO NKEC21 Nanokemi - Yt- och kolloidkemi 1

2 Emulsioner Ett dispergerat system där faserna inte är blandbara (eller näst intill). En vätskefas dispergerad i en annan 0,1µm 10µm stora droppar (större än soler) Sprider ljus, är mjölkiga Kan användas för utspädning av dyra ingredienser (blandas i oljefasen) Termodynamiskt instabila Emulsioner kan vara olja i vatten (O/W) eller vatten i olja (W/O) O/W Blandas lätt med vatten Leder ström bra Färgas av vattenlösligt färgämne Krämig W/O Blandas lätt med olja Leder ström dåligt Färgas av oljelösligt färgämne Flottig 2

3 Brytning av en emulsion (Källa: NE) Koalescens och brytning är irreversibla, medan flockulering och gräddbildning kan får att gå tillbaka.

4 Emulsionsmedel och Emulsionsstabilitet Faktorer som ger stabilitet Fasta partiklar sot och lerpartiklar Sänkning av ytspänningen (ytaktiva ämnen) Stark och elastisk film (mekanisk styrka ex. proteiner) Ytaktiva ämnen Makromolekyler proteiner polymerer Tätpackade filmer (Koalescens underlättas om filmen är expanderad) Elektrostatisk repulsion Joniska ytaktiva ämnen ger repulsion men samtidigt expanderade filmer. Detta kan lösas genom att blanda joniska och nonjoniska. Små jämnstora droppar (Annars växer stora på bekostnad av små) Hög viskositet (tillsätt CMC och få en gel) karboximetylcellulosa 4

5 Emulsionsmedel och emulsionstyp Om en W/O eller en O/W emulsion bildas då två icke-blandbara vätskor homogeniseras beror på: Den relativa volymen (Ju mer det finns av den ena fasen ju mer troligt är det att denna blir dispersionsmedlet) Emulsionsmedlets (emulgatorns) egenskaper Om emulgatorn vill vara i vatten så bildas en O/W-emulsion. Detta ger större yta för emulgatorn att sitta på. Bancroft s regel För amfifila emulgatorer beror verkan på hydrofil/lipofil balansen av HLB-värdet. Mer hydrofil medför mer vattenlöslig (högt HLB-värde). Detta ger en O/W emulsion HLB-tal Tillämpning W/O emulgator vätmedel O/W emulgator Detergent solubilizer Det finns modeller för beräkning av HLB-tal Jfr CPP<1 O/W CPP>1 W/O 5

6 Exempel på HLB-värden.

7 Nonjoniska Emulgatorer kan klassificeras med ett s.k. PIT-värde P I T = Phase Inversion Temperature Med ökande temperatur sjunker HLB-värdet. PIT kallas ibland HLB-temperaturen Detta medför att en O/W-emulsion övergår i en W/O-emulsion Bestämning av PIT-värde görs på en emulsion med lika delar (vikt) olja och vatten samt 3-5% emulgator Ibland vill man bryta en emulsion, detta kan göras genom att: (Ex. små mängder vatten i olja kan orsaka korrosion) Centrifugera Tillsätta antagonist, bryt en W/O emulsion genom tillsats av ett emulgator som gynnar O/W emulsioner 7

8 Emulsan en ytaktiv polymer Ytaktiva polymerer är vanliga i naturen. En ytaktiv makromolekyl har hydrofoba och hydrofila delar d.v.s kan orientera sig i fasgränsytan, sänka ytspänningen och fungera bl.a. som emulgator. Emulsan är en polyanjonisk lipopolysaccharid Inte löslig i varken olja eller vatten Produceras av bakterier och dess funktion observerades då emulsioner av olja och saltvatten bildades spontant vid stränder. (Ökar gränsytan för bakterien) 10 Bakterien isolerades och makromolekylen karakteriserades 6 g/mol och visade sig vara en mycket effektiv stabilisator för olja i vatten emulsioner. Stora förhoppningar på användning av emulsan för transport av olja i pipelines (ex. Alaska-USA) 75% olja i emulsion. Kunde då brännas direkt. Stora problem då det upptäcktes att emulsan kunde brytas ner enzymatiskt vilket gjorde att emulsionen bröts! Man lärde sig också att bakterien också producerade en liten peptid som är mycket snabb. Peptiden sänker ytspänningen, emulsion bildas och emulsan stabiliserar! Detta är det bästa receptet för tillverkning av en emulsion 8

9 Mikroemulsion- makroskopiskt homogen blandning av olja, vatten och surfaktant Mindre droppar än i emulsioner ( 0,01 0,1 µm). I mikroemulsioner är gränsskiktsspänningen mellan olja och vatten mycket låg. Termodynamiskt stabila enfassystem Många gränsskikt kräver mycket tensid (10%) Små partiklar, sprider inte ljus (klara lösningar) Bildas lättast om det ytaktiva ämnet är en kombination av en alkohol och en tensid. Mikroemulsioner kan vara i form av droppar Mikroemulsioner kan också vara bikontinuerliga strukturer. Svampstruktur 9

10 Jämförelse mellan emulsion och mikroemulsion (µem) 10

11 Fasdiagram µem +olja vatten+ µem +olja vatten + µem T ökar 11

12

13 Tvättmedel kan fungera genom en in situ på plats bildad mikroemulsion Vid P.I.T är gränsskiktsspänningen minimal. Detta är optimalt för att en mikroemulsion ska bildas. I en tvättprocess är det den oljiga smutsen som är oljefasen. För att få maximal solubilisering ska tvätt göras nära den temperatur som är P.I.T för olja vatten - surfaktant systemet. Solubilisering nära P.I.T leder till ett trefassystem med en mikroemulsion i jämvikt med en vattenfas och en oljefas. Mikroemulsionen har en bikontinuerlig struktur. Ett sådant system kan lösa mycket olja. Om tvätt görs under P.I.T bildas istället en mikroemulsion i jämvikt med olja. Denna kan inte lösa lika mycket olja. Om tvätt görs över P.I.T bildas en mikroemulsion i jämvikt med en vattenfas.detta ger dålig rengöringseffekt då både vatten och surfaktant kan lösas i oljan utan att denna lösgörs från tyget. 13

14 Latexfärg Allmänt sett består färg av tre delar: bindemedel, lösningsmedel, pigment och tillsatser. Den enda absolut nödvändiga delen är bindemedlet. Det är den del som stelnar och formar den torkade filmen. Lösningsmedlet har till uppgift att reglera viskositeten på färgen. Det är lättlösligt och är inte någon del av det slutliga färgskiktet. Allt annat är tillsatser. Typiska bindemedel inkluderar syntetiska och naturliga hartser som akryl, polyuretaner, polyestrar, melaminer. olja eller gummi. Färg brukar benämnas baserat på vilket bindemedel som använts, till exempel oljefärg, akrylfärg m.fl. Typiska lösningsmedel inkluderar organiska lösningsmedel som alkoholer, ketoner estrar glykolestrar och liknande. Vatten är ett vanligt lösningsmedel där då det organiska bindemedlet är dispergerat eller emulgerat. Ibland används också lättflyktiga låg-molekylära syntetiska hartser som lösningsmedel. Vilket lösningsmedel som används i en given färg anges ofta genom att ange att färgen är baserad på lösningsmedlet, till exempel 'vattenbaserad oljefärg. Typiska tillsatser inkluderar pigment, katalysatorer, förtjockningsmedel, stabiliseringsmedel, emulsionsmedel, texturmaterial, vidhäftningesmedel, vätmedel (medel för matt färg) och liknande.

15 Latexfärger Emulsionspolymeren fås genom polymerisering i vattenlösning direkt. 50 % monomerer akrylsyra (CH 2 =CH-COOH) och estrar (butyletyl-) därav. 2 % tvål eller annan tensid 0,2Alkyl (C 12 H 25 - eller likn.) tiol. Ger rätt kedjelängd. 0,1 % kaliumperooxodisulfat. Initiator, ger sulfatradikaler % vatten.