L6 Neste-neste rajapinnat: Emulsiot

Transkriptio

1 CHEMC2230 Pintakemia L6 Nesteneste rajapinnat: Emulsiot Monika Österberg Barnes&Gentle, 2005, luku 6

2 Mitä yhdistää näitä tuotteita? Maito Voi Ne ovat emulsioita majoneesi maali kosmetiikka lääkkeet asfaltti

3 Oppimistavoitteet Luennon jälkeen osaat: Selittää konseptit emulsio, emulgointiaine, kermottuminen ja emulsion hajoaminen Erottaa O/W ja W/O emulsiot toisistaan Selittää misellin, emulsion ja mikroemulsion erot Luetella eri tapoja stabilisoida emulsioita ja osaat myös tarkemmin selittää steerisen ja sähköstaatisen stabiloinnin mekanismit Antaa esimerkkejä emulsioista Kertoa mikä yhdistää emulsion ja vaahdon

4 Sisältö Emulsiot Vaahdot Määritys O/W ja W/O emulsiot Emulsioiden stabilointi Miten emulsioita muodostetaan ja niiden ominaisuudet Mikroemulsiot

5 Emulsiot Kahden toisiinsa luonnostaan sekoittumattoman nesteen seos Emulsio on termodynaamisesti epästabiili Emulsio on kolloidi ja koostuu dispergoituneesta faasista (nestepisarat) jotka ovat dispergoituneet jatkuvaan faasiin (toinen neste) Onko vedellä laimennettu viskipaukku emulsio? Entä samppanja? Maito?

6 Emulsiot Emulsio muodostuu poolisesta nesteestä (usein vesi) ja poolittomasta nesteestä (öljy) joka ei liukene pooliseen nesteeseen Vesi öljy öljy vesi Öljyvesi (oil in water (O/W) emulsio Vesiöljy (water in oil W/O) emulsio

7 Kokojakauma Mittausmenetelmät: valonsironta (Luento 8) Monodispersiivinen emulsio N = pisaroiden määrä jolla on tetty koko N Polydispersiivinen emulsio Halkaisia Halkaisia

8 Tavalliset makroemulsiot ovat termodynaamisesti epästabiileja Hajoavat nopeasti eri faaseiksi Miksi? Pintajännitys veden ja öljyn välillä olevassa rajapinnassa on korkea Pisarat kasvavat nopeasti minimoidakseen rajapintaa ja siten energiaa Emulsio hajoaa Tarvitaan kolmas komponetti stabiloimaan systeemia: emulgointiaine.

9 Mailman suosituin emulsio (?) Wikipedia Sisältää: Kermaa, maitoa, sokeria, Lisätään kananmunan keltuiasta stabiloimaan emulsiota. Lesitiini toimii emulgointiaineena

10 Miten emulsiota stabiloidaan? Lisätään emulgointiaineta adsorboituvat vesiöljy rajapintaan Emulsion muodostukseen ja stabilointiin voidaan käyttää pintaaktiivisia aineita, muita amfifiilisia molekyylejä, proteiineja, polymeerejä ja nanopartikkeleita Miten pintaaktiivinen aine adsorboituu rajapintaan alla olevissa emulsiotyypeissä? O/W emulsio Water W/O emulsio Vesi Oil Oil öljy vesi Oil Water

11 Miten emulsiota stabiloidaan? Veden virtaus Stabilointimekanismeja: Rajapinnan pintajännityksen pienentämistä Sähköstaattinen repulsio Steerien repulsio öljy öljy Pintaaktiivisen aineen kanssa Maragoni effekti voi destabiloida emulsion. Barnes&Gentle, 2005, s.125

12 surface Sähköstaattinen repulsio Sama periaate pisaralle kun kiinteälle partikkelille Syvällisemmin 8. luennolla potential, Φ 0 specific adsorption, stern layer diffuse layer On herkkä suolapitoisuudelle Toimii paremmin (vain) O/W emulsioiden stabilointiin

13 Ionijakauma varautuneen pinnan läheisyydessä vastaioneita etäisyys Samanmerkkisiä ioneita Systeemi pyrkii neutralisuuteen kasautuu enenmmän vastaioneita varautuneen pinnan lähelle kuin samanmerkkisiä ioneita. Kun kaksi varautunutta partikkelia tai pisaraa lähestyy toisiaan nämä ionipilvet kohtaavat. Partikkeleiden välillä on enemmän vastaioneita kuin samanmerkkisiä ioneita, mikä johtaa potentiaalieroon ja se taas johtaa siihen että vettä (liuotinta) pyrkii partikkeleiden väliin pienentämään tätä potentiaalieroa. Osmoottinen paine Syntyy repulsio jota kutsutaan kaksoiskerros repulsioksi ja johtuu siis osmoottisesta paineesta

14 Voimien tasapaino Kokonaisvoima= attraktiivinen van der Waals voima sähköstaattinen repulsio F tot = F van der Waals F electrostatic (F = force) Riippuu: etäisyydestä, suolapitoisuudesta varauksesta 3/21/

15 Steerinen stabilointi Amfifiiliset polymeerit Kiinteä partikkeli pisara Entropiaeffekti: Vähemmän konformaatiovapausasteita kun pisarat/partikkelit lähestyvät toisiaan 3/21/

16 Emulsion stabiliteetti ja hajoaminen emulsio flokkulointi kermottuminen Huomaa ero hajoaminen Mihin kermottumista voidaan käyttää? Barnes & Gentle s 124 Pisaroiden yhteenkasvaminen

17 Miten emulsioita valmistetaan? Mekaaninen dispergointi Vesi öljy emulgointiaine voimakas sekoitus Kondensaatio Liuotetaan öljy etanoliin ja lisätään veteen. Etanoli liukenee veteen ja öljypisarat jäävät. water emulsifier oil ethanol

18 Emulsion ominaisuuksiin vaikuttavia parametreja Öljy/vesi tilavuussuhde Öljyn ominaisuudet Emulgointiaineen ominaisuudet Suola, lämpötila Valmistusmenetelmä Laitoksen nimi

19 O/W ja W/O emulsiot O/W ja W/O emulsioiden viskositeetti ja johtokyky eroaa. johtokyky O/W > johtokyky W/O viskositeetti O/W < viskositeetti W/O Inversio: Muutos yhdestä emulsiotyypistä toiseen

20 Muodostuuko O/W vai W/O emulsio? Winsorin suhde: ELO = Vuorovaikutusenergia lipofiilisen (L) hännän ja öljyfaasin (O) välillä EHW = Hydrofiilisen pään (head=h) ja veden (water=w) välinen vuorovaikutusenergia ELO (L) R < 1 O/W emulsio (Winsor I emulsio) Water Oil EHW (H) R > 1 W/O emulsio (Winsor II emulsio)

21 R>1 Slide courtesy: Orlando Rojas

22 Muodostuuko O/W vai W/O emulsio? HydrophilicLipophilic Balance (HLB) (L) (H) Myös lipofiilisen hännän ja hydrofiilisen pään kokosuhde vaikuttaa emulsion muotoon

23 Mikroemulsiot Mikroemulsiot ovat termodynaamisesti stabiileja Muodostuvat spontaanisti sekoittaessa öljy, vesi ja emulgointiaine. Tarvitaan usein enemmän kuin kahta komponenttia (surfactant cosurfactant) Emulsio Mikroemulsio Mikroemulsiot ovat kirkkaita kun taas normaalit emulsiot ovat maitomaisia Miksi? Pisaroiden koko: 1 60 nm Mitkä ovat misellin, mikroemulsion ja emulsion erot?

24 Muita emulsiotyyppejä Water Oil 1 Oil 2 Water Oil 2 Oil 1 Biemulsio: kaksi eri öljyfaasia vedessä O/W/O emulsio

25 Pickering emulsio = Partikkeleilla stabiloitu emulsio Mekanismi: Steerinen stabilointi vähentää vedenpoistoa pisaroiden välistä. Partikkelit: Epäorgaaniset: (hydrofoboitu) SiO2 Luonnonpartikeleita: ligniini, celluloosa, kitiini, proteiinit Käyttö: Vaahdot eristematerialit, kevyet huokoiset materiaalit, Kitosaani nanopartikkeleita vesi/öljy rajapinnassa (konfokaali mikroskopia) Bakteeriselluloosa rajapinnassa polymeroidun styreenin ja veden välillä (pyyhkäisy elektronimikrosko pia) Lam et al Current Opinion in Colloid & Interface Science 19 (2014)

26 Vaahto Neste kaasu Vaahto Kaasu Neste Vaahto on dispersio jonka jatkuvafaasi on neste (tai kiinteä aine) ja dispergoitunut aine on kaasu

27 Vaahto Vaahdot ovat termodynaamisesti epästabiileja Vaahdot eivät muodostu puhtaissa nesteissä Pintajännitys rajapinnassa korkea Coalescence Energian minimointi: vähennetään rajapinnan pintaalaa Kaasukupplat kasvavat yhteen (coalescence) Vaahto hajoaa

28 Vaahto Molekyylit jotka adsorboituvat nestekaasu rajapintaan stabiloivat vaahtoa Esim: pintaaktiiviset aineet, proteiinit, amfifiiliset polymeerit, hydrofobiset nanopartikkelit stabiloivat vaahtoa Saippuakalvo

29 Vaahdon muodostus Sekoitus, ravistus Kaasun injektointi, kaasukupplan puhallus. Mineralien flotaatio

30 Vaahdon muodostus esimerkkejä Kaasun vapautuminen tai muodostus Turbulentti ohueen nestesuihkun sekoitus kaasun kanssa

31 Osaatko? Selittää konseptit emulsio, emulgointiaine, kermottuminen ja emulsion hajoaminen Erottaa O/W ja W/O emulsiot toisistaan Selittää misellin, emulsion ja mikroemulsion erot Luetella eri tapoja stabilisoida emulsioita ja osaat myös tarkemmin selittää steerisen ja sähköstaatisen stabiloinnin mekanismit Antaa esimerkkejä emulsioista Kertoa mikä yhdistää emulsion ja vaahdon

32 Yhteenveto Emulsio on kolloidi ja koostuu dispergoituneesta faasista (nestepisarat) jotka ovat dispergoituneet jatkuvaan faasiin (toinen neste) Emulgointiainetta käytetään emulsion stabilointiin, se adsorboituu nesteneste rajapintaan vähentäen pintajännitystä Pintaaktiiviset aineet, proteiinit, polymeerit, nanopartikkelit Steerinen ja elektrostaattinen stabilointi O/W emulsio Vesi öljy Water Oil W/O emulsio öljy vesi Oil Water

33 Emulsion stabiliteetti ja hajoaminen emulsio flokkulointi kermottuminen hajoaminen Pisaroiden yhteenkasvaminen

34 Yhteenveto Emulsio on kolloidi ja koostuu dispergoituneesta faasista (nestepisarat) jotka ovat dispergoituneet jatkuvaan faasiin (toinen neste) Emulgointiainetta käytetään emulsion stabilointiin, se adsorboituu nesteneste rajapintaan vähentäen pintajännitystä ( steerinen ja elektrostaattinen stabilointi) Steerinen stabilointi perustuu pienentyneeseen entropiaan. Pisarat eivät pääse yhdistymään koska niiden pintaan adsorboituneet polymeerit törmäävät toisiinsa ja hylkii toisiaan. Sähköstaattinen repuslio on läsnä kun käytetään varautneita emulgointiaineita, johtuu lisääntyneestä osmoottiesta paineesta vastaionien kasaantuessa pisaroiden väliin. Pickering emulsio stabiloitu nanopartikkelilla Erottaa O/W ja W/O emulsiot toisistaan Misellit ovat pintaaktiivisen aineen spontaanisti muodostumat itsejärjestäytyneet agregaatit cmc:n yläpuolella. Eivät yleensä sisällä toista faasia. Jos turpoaa esim. öljyllä miselli hajoaa tai muuttaa muotoaan. Mikroemulsiot voivat turpoa kunhan pintaaktiivista ainetta on tarpeeksi. Mikroemulsiot ovat tavallisista emulsioista poiketen termodynaamisesti stabiileja ja muodostuvat spontaanisti. Pisarat ovat pienempiä kuin emulsioissa. Kirkkaat dispersiot. Emulsiot ja vaahdot ovat termodyn. epästabiileja ja niiden stabilointiin käytetään samoja menetelmiä.

35 Ensikeralla Vieraileva luennoitsija: Tekla Tammelin, VTT Nanoselluloosafilmit, painettu elektroniikka, korroosioesto,