317. Emulziók előállítása, stabilitásának és reológiai tulajdonságainak vizsgálata Feladat: Különböző összetételű emulziók előállítása. A tenzid mennyiségének hatása az emulzió milyenségére és stabilitására. Az előállított emulziók reológiai viselkedésének meghatározása és a kapott adatok értelmezése. Irodalom: D. J. Shaw: Bevezetés a kolloid- és felületi kémiába, Műszaki Könyvkiadó 1986 P. W. Atkins: Fizikai Kémia III., Nemzeti Tankönyvkiadó, 2002 Elméleti alapok Emulzióknak nevezzük az olyan kolloid diszperz rendszereket, melyekben a diszpergált rész és a diszperziós közeg folyékony halmazállapotú. Az emulziók lehetnek olaj a vízben o/v, víz az olajban v/o, és o/o olaj az olajban típusúak. Stabilizációjuk emulgeátorral történik. Az emulzió jellegét általában nem a koncentrációk aránya, hanem a szerkezet adja meg, azaz a közeg a folytonos fázis. Általában az o/v emulziók krémesebbek, míg a v/o emulziók fénye sebbek és zsírosabb tapintásúak. Az emulzió a saját közegével korlátlanul hígítható. A tömé nyebb emulziók koherens rendszert alkothatnak, azaz reológiai folyáshatárral rendelkezhet nek, ekkor krémeknek nevezzük őket (tejföl, vaj, majonéz, margarin, krém, kenőcs). Az emul ziók létrehozásához, a nagy fajlagos felület miatt energia befektetés szükséges. Az emulziók előállítására számos eljárás ismeretes, az emulgeátor és a kívánt emulzió sajátságaitól, s bizo nyos esetben mennyiségétől is, függően. Általában mechanikus energiát alkalmazunk, a kézi keveréstől (kenőcsök, ételek házi készítése) a nagy energiájú gépi és ultrahangos emulgeálá sig, valamennyi esetben a nyírófeszültség változtatásával. Laboratóriumi viszonyok között nagy fordulatszámú keverőket alkalmazhatunk. A kívánt kiindulási komponensek és emulgeá torok, valamint a készülékek által létrehozott nyíróerő révén különböző típusú és stabilitású emulziók állíthatók elő, amelyek különböző felhasználást tesznek lehetővé.
Az emulgeátorok fő típusai: Anionos: negatív töltésű hidrofil csoportottal rendelkeznek, pl. alkil- és arilszulfátok valamint szulfonátok, zsírsavak sói (szappanok). Samponok, mosószerek fő alkotói. Kationos: pozitív töltéssel rendelkeznek pl. alkil/arilaminok, foszfinok. Általában tar tósítószerek, kondícionálók összetevőiként szerepelnek. Amfoter: két ellentétes töltéssel rendelkező csoportot vagy csoportokat tartalmaznak pl. Cocamidopropyl Betaine, Zwittergent, proteinek, kazein, tojásfehérje, lizerginsav, pszilocibin. A töltés ph függő. Nemionos: oldatban sincs elektromos töltésük, ilyenek például a különböző Tween, SPAN, BRIJ márkanevű tenzidek. Ide tartoznak az amin-oxid típusú detergensek is, melyekben a N=O kötés erősen polározott, de semleges ill. bázikus közegben nincs töltésszétválás. Pickering: finom porok (bentonit, szilika, szén) a folyadékcseppek felületén megkö tődve igen hatékony emulgeátorok lehetnek a koaleszcencia sztérikus gátlásával.
A HLB rendszer: A nemionos tenzideket jellemezhetjük a hidrofil-hidrofób részének molekulatömeg arányával. (A hidrofil rész általában valamilyen polialkohol vagy etilén oxid típusú, a lipofil rész álta lában valamilyen zsírsav vagy zsíralkohol.) A HLB mozaikszó jelentése Hydrophilic Lipophi lic Balance (hidrofil-lipofil egyensúly). Minden nemionos felületaktív anyagnak van HLB ér téke. A kisebb HLB értékű anyagok inkább olajban oldódnak jobban, a nagyobb HLB értékű anyagok inkább vízoldékonyabbak. A felületaktív anyag HLB értékének kiszámításához a molekula hidrofil részének a teljes molekulatömeghez viszonyított tömegszázalékos arányát 5-tel osztjuk. HLB = M hidrofil /M molekula 100/5 (1) Nemionos tenzidek esetén a gyakorlatban 0,5 és 19,5 közötti értékek léteznek. (Ha pl. 40-es HLB értékkel találkozunk gondoljunk arra, hogy azok valószínűleg ionos tenzidek. Ezek az értékek összehasonlítás céljából lettek meghatározva.) E 1 HLB E1 + E 2 HLB E2 = HLB E (2) 2. egyenlet. Emulgeátor keverékek HLB értékének számítása: E 1 : 1. emulgeátor %-os mennyisége az összes emulgeátor mennyiséghez viszonyítva, HLB E1 : 1. emulgeátor HLB értéke, HLB E : Az emulgeátor keverék HLB értéke. Különböző ipari alkalmazásoknál a folyamatnak van egy ún. HLB kívánalma (Required
HLB): Alkalmazás HLB kívánalom Különböző olajok összekeveréséhez, habzás 1-3 gátlás Víz az olajban típusú emulziók előállításához 3-8 Porok nedvesítéséhez olajokban 7-9 Ön emulgeálódó olajok előállításához 7-10 Olaj a vízben típusú emulziókhoz 8-16 Detergens oldatokhoz 13-16 Olajok vízben szolubilizálásához (mikroemulzifikációhoz) 15-18 Az olaj a vízben emulziók előállítása során az egyes alkotóanyagoknak is van egyedi HLB kívánalma. Komponens típus: HLB kívánalom Növényi olajok 6-7 Szilikon olajok 8-12 Petróleum olajok 10 Tipikus észter alapú lágyítók 12 Zsírsavak és zsíralkoholok 14-15 A gyakorlati életben igen hasznos HLB rendszernek azonban korlátai is vannak, így például nehezen alkalmazható többkomponensű vizes rendszereknél és arról sem ad információt, hogy mennyi tenzid kell egy adott felhasználáshoz. Emulziók stabilitásának vizsgálata: Az emulziók termodinamikailag eredendően instabilak. Minden emulzió koaleszkál, annak érdekében, hogy csökkentse a rendszer összes szabad energiáját (az emulzió megtörik ). A felület aktív anyagok elősegítik az emulzió előállítását, és lelassítják az elkerülhetetlen megbomlásukat. A felület aktív anyagok a víz-olaj határfelületen úgy rendeződnek el, hogy azok poláris része a vizes, az apoláris része az olajos fázisba nyúlik. ezáltal csökkenti a vízolaj felületek között fellépő határfelületi feszültséget.
Emulziók reológiai tulajdonságainak vizsgálata: Az emulziók reológiai viselkedése gyakorlati szempontból rendkívül fontos a gyártás, kiszere lés, és felhasználás szempontjából. Pontos leírásuk bonyolult, a diszperz részek (cseppek) saját viszkozitásától, a nyírás körülményeitől (mérési módszer) és a közeg viszkozitásától függ. R-550 viszkoziméter. A Otthon előre elvégzendő feladatok Az o/v és v/o emulziók, azok tulajdonságai, előállításuk. Emulgeátor típusok. A főbb reológiai osztályok, a reológiai görbék értelmezése. 1. táblázat kitöltése.
A gyakorlat leírása A mérés elve: AR 550 típusú reométerrel, kúp-lap geometriával vizsgáljuk az anyag reológiai viselkedését. A vizsgálandó anyag a kúp forgatásával szemben súrlódási ellenállást fejt ki, így a kúp forgási sebességét csökkenti. A súrlódási ellenállás jellemezhető a súrlódási erővel, vagy ennek a mé rő geometria felületegységére vonatkoztatott értékével, a nyírófeszültséggel, (τ). A forgató tengely fordulatszáma digitálisan állítható. A sebesség gradiens D (s -1 ) a motor fordulatszá mával (RPM) arányos. A viszkozitás η (Pa s), illetve a nyírófeszültség τ (N/m 2 ) meghatároz ható. A gyakorlat során vegyük fel az elkészített minta folyásgörbéjét (azaz a D = f(τ) gör bét) növekvő és csökkenő nyíró feszültségnél is. Alapítsuk meg, hogy a minta melyik osztály ba tartozik az 1. ábra alapján. Hasonlítsuk össze a különböző eljárással készült minták folyás görbéit és magyarázzuk az eltéréseket. 11 ábra. Folyás- és viszkozitásgörbék. 1. ideális, 2. szerkezeti belső súrlódású, 3. dilatanciát mutató folyadék; 4. Bingham féle test, 5. tixotróp anyag. 2. ábra. Alakfaktor és részecskeméret hatása a rendszer reológiai tulajdonságaira.
3. ábra. A részecskeméret eloszlás hatása a rendszer reológiai tulajdonságaira. 4. ábra. A rotor-sztator típusú homogenizátor működési elve. 5. ábra. A reométer mintaterének helyes feltöltése.
Gyakorlat menete 1. Készítsünk emulziókat különböző mennyiségű emulgeátor mennyiséggel Számítsuk ki, az 1. táblázatban megjelölt összetételű emulziókhoz azonos térfogatarányú olaj-víz esetén szükséges összetevők mennyiségét. Eredményeket rögzítsük. (Vegyük figyelembe a különböző komponensek sűrűségét!) 4-4 db főzőpohárba mérjünk a 1. táblázatban meghatározott mennyiségű TWEEN 80- at (HLB 15) Adjunk hozzá az 1. táblázatban megjelölt mennyiségű étolajat és vizet 50 C-on kevertessük 10 percen keresztül 1 perc állás után vizsgáljuk meg a képződött előemulziót Labor homogenizátor (Ultra Turrax T25) segítségével homogenizáljuk az előemulzió kat 1 percen keresztül (8000 rpm) ρ víz =1 g/cm 3 ; ρ étolaj =0,91 g/cm 3 ; ρ TWEEN80=1,064 g/cm 3 sorszám 1. táblázat. Emulziók összetétele (Összesen 15 cm 3 ) étolaj (g) (g) (g) (%) 1 0 2 0,5 3 1 4 1,5 5 2 6 2,5 7 3 8 4 9 5 10 7,5 11 10 12 20 11 Vizsgáljuk meg a kapott emulziók típusát cseppmódszer segítségével víz Tween 80 Tween 80 Töltsünk egy főzőpohárba vizet, egy másikba étolajat. Cseppentsünk mindkét pohárba 1-1 csepp emulziót.
Határozzuk meg, hogy az olaj vagy a víz a folytonos közeg. 11 Vizsgáljuk meg a kapott emulziók stabilitását Töltsük osztott kémcsövekbe 10 10 g emulziót. Hagyjuk állni az emulziókat 1 órán át Vizsgáljuk meg a kapott eredményt. Ábrázoljuk az emulgeátor mennyiség függvényében az emulzió réteg vastagságát. 11 Vizsgáljuk meg az emulziók reológiai tulajdonságait A gyakorlatvezető segítségével vigyünk fel az AR 550 reométer mintaterébe hoz závetőlegesen 2 ml emulziót. Vegyük fel 25 C-on az emulziók folyásgörbéit. Határozzuk meg az emulziók reológiai osztályba sorolását. Határozzuk meg 300 1/s nyírásnál az egyes emulziók viszkozitását. Ábrázoljuk az emulgeátor mennyiség függvényében. Hasonlítsuk össze és értelmezzük az eredményeket.