Пасты, эмульсии. Пены, суспензии

Пасты

Пасты – это высоко концентрированные суспензии, обладающие структурой. Структура – это пространственная сетка, образованная частицами дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная среда.

Можно сказать, что пасты занимают промежуточное положение между порошками и разбавленными суспензиями. Их получают, соответственно:

растирая порошок в жидкости, обладающей достаточно большой вязкостью; например, некоторые сорта зубной пасты готовят путем смешивания мела с вязкой жидкостью, полученной путем варки крахмала в глицериновом водном растворе с добавлением небольшого количества ПАВ;

в результате седиментации разбавленной суспензии.

Так как пасты – структурированные системы, определяющим является их структурно – механические свойства, которые характеризуются такими параметрами, как вязкость, упругость, пластичность. Пасты обладают упруговязкопластическими свойствами.

Пасты имеют коагуляционную структуру, поэтому их механические свойства определяются, главным образом, механическими свойствами межчастичных жидких прослоек. Через эти прослойки действуют силы притяжения между частицами, зависящие от расстояния между ними (толщина прослоек) и обусловлена ван – дер – ваальсовыми и водородными связями. Прочность коагуляционного контакта составляет величину порядка 10^-10 Н и ниже. Причем, прочность контакта могут уменьшать силы отталкивания между частицами, обеспечивающими агрегатную устойчивость суспензии, именно по этому структуры в агрегативно устойчивых суспензиях не образуются или, если и образуются, то очень непрочные.

Таким образом, механические свойства паст обусловливаются совокупностью двух различных основных причин:

· молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в местах контакта, там, где толщина прослоек дисперсионной среды между ними минимальна. В предельном случае возможен полный фазовый контакт. Коагуляционное взаимодействие частиц вызывает образование структур с выраженными обратимыми упругими свойствами;

· наличие тончайшей пленки в местах контакта между частицами.

Коагуляционные структуры отличаются резко выраженной зависимостью структурно – механических свойств от интенсивности механических взаимодействий. Примером исключительной чувствительности структурно механических свойств коагуляционных структур к механическим воздействиям является зависимость равновесной эффективной вязкости h(р) от скорости деформации g или напряжения сдвига Р. Уровень h(р) отвечает вполне определенной степени разрушения трехмерного структурного каркаса в условиях деформации системы. Диапазон изменений h(р) = ¦(Р) может достигать 9 – 11 десятичных порядков.

Для паст, так же как и для любой коагуляционной структуры, характерны следующие свойства: невысокая механическая прочность (обусловлена малой прочностью коагуляционного контакта – порядка 10^-10 Н и ниже), тиксотропия, синерезис, ползучесть, пластичность, набухание.

Никакие массообменные процессы в структурированных системах нельзя осуществить, не разрушив предварительно в них структуру.

Разрушение пространственных структур в пастах – достаточно сложный процесс, характеризуемый тем, что по мере увеличения степени разрушения существенно изменяется и сам механизм распада структуры.

Можно выделить три основных этапа разрушения структуры:

разрушение сплошной структуры сетки, сопровождающиеся распадом структуры на отдельные, достаточно крупные агрегаты;

разрушение агрегатов, сопровождается уменьшением их размера и увеличением их числа, высвобождением из агрегатов и увеличением числа отдельных частиц, образованием новых агрегатов;

предельное разрушение структуры при полном отсутствии агрегатов из частиц.

Четкая граница между этими этапами размыта, т.е. переход из одного состояния структуры в другое по мере постепенного увеличения интенсивности внешних воздействий, разрушающих структуру, происходит постепенно.

Однако каждый из этих этапов специфичен, условия разрушения сплошной структурной сетки кардинальным образом отличаются от условий разрушения агрегатов, «плавающих» в дисперсионной среде, а значит, и параметры внешних воздействий, необходимых для разрушения сплошной структурной сетки и отдельных агрегатов их частиц, не могут не быть существенно различными.

Количественно изменения состояния структуры пасты оценивается совокупностью реологических характеристик, прежде всего вязкостью h, напряжением сдвига Р, упругостью Е и периодом релаксации q. Наиболее резкое, на много десятичных порядков, изменения с разрушением структуры претерпевают вязкость и период релаксации.

Для разрушения структуры используются следующие воздействия:

· механическое помешивание;

· вибрация с частотой от 10 Гц до10 кГц;

· ультразвук;

· нагревание;

· электрические и магнитные поля;

изменение природы поверхности твердых частиц (главным образом, путем добавления коллоидных ПАВ).

Часто сочетают механические вибрационные воздействия с ультразвуком, тепловыми воздействиями.

Такое сочетание не только существенно меняет энергию активации процесса разрушения структуры, но в значительной степени сказывается на свойствах конечного продукта.

Совместное действие на пасту вибрации и, например, ультразвука приводит к гораздо большему разрушению структуры и вместе с тем к достижению существенно более высокой ее однородности, чем под влиянием каждого из этих видов воздействия с той же интенсивностью в отдельности.

Важным является сочетание механических воздействий с физико–химическим управлением прочностью сцепления в контактах между частицами путем изменения природы поверхности частиц.

Модифицирование твердых фаз добавками ПАВ различного строения является универсальным методом регулирования силы и энергии взаимодействия в контактах между частицами. Этот эффект – следствие сочетания двух факторов:

раздвижения частиц на двойную толщину адсорбционного слоя;

снижение поверхностного натяжения на поверхности частиц.

В последние годы все шире стали применяться методы модифицирования поверхности частиц не индивидуальными ПАВ, а смесями ПАВ различных видов, например, иогенных и неиогенных.

При правильном подборе нескольких видов ПАВ обнаруживается синергизм, т.е. взаимные усиления их действия.

Исключительная эффективность совместного действия вибрации и ПАВ объясняется характером разрушения структуры при вибрации и особенностями действия ПАВ. ПАВ, адсорбируются в первую очередь на наиболее энергетически активных участках микромозаичной поверхности частиц, ослабляют преимущественно наиболее прочные коагуляционные контакты. Введение в систему ПАВ из расчета образования монослоя на поверхности частиц позволяет почти в 500 раз понизить интенсивность вибрации, необходимую для достижения предельного разрушения структуры.

Не менее эффективно для ряда систем сочетание вибрации, добавок ПАВ и температурных воздействий. В тех случаях, когда вязкость структурированных систем весьма чувствительна к изменению температуры, такое комплексное взаимодействие наиболее целесообразно. Многие пищевые, в особенности кондитерские массы (шоколадные, пралиновые и т.п.), относятся именно к такого рода системам.

Эмульсии

Эмульсия – система «жидкость – жидкость» (ж/ж). Для образования эмульсии обе жидкости должны быть нерастворимы или мало растворимы друг в друге, а в системе должен присутствовать стабилизатор, называемый эмульгатором. Эмульсия тем седиментационно устойчивее, чем ближе плотность обоих фаз. Отличительной особенностью эмульсий является сферическая форма частиц (капель).

Эмульсии классифицируются:

1. По состоянию дисперсной среды и дисперсной фазы.

Различают:

- масло в воде

- вода в масле

Для эмульсий характерным является свойство обращения фаз. При введении в эмульсию в условиях интенсивного перемешивания большого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющегося стабилизатором эмульсии противоположного типа, первоначальная эмульсия может обращаться, т.е. дисперсная фаза становится дисперсионной средой и наоборот (масло + вода = вода + масло)

2. По концентрации:

а) Разбавленные 0,01 – 0,1%;

б) Концентрированные до 74%;

в) Высоко концентрированные до 90%.

Все эмульсии термодинамически нестабильные структуры, за исключением критических эмульсий. Это структуры двух ограниченно растворимых жидкостей при температуре, близкой к критической.

Седиментационная устойчивость эмульсий аналогична суспензиям. Агрегативная неустойчивость проявляется в самопроизвольном образовании агрегата капелек с последующим их слиянием (коалесценция). Количественно это характеризуется скоростью расслоения или временем жизни отдельных капелек в контакте с другими. Агрегативная устойчивость определятся следующими факторами:

· Соотношением поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз;

· Присутствием в растворе электролита. Поэтому прямые эмульсии, стабилизированные мылами, характеризуются всеми свойствами, присущими типичным гидрозолям, т.е. соблюдается правило Шульце – Гарди, перезаряжание частиц поликовалентными ионами и т.д.

· Наличием эмульгатора.

Стабилизация эмульсии с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ) обеспечивается благодаря адсорбции и определенной ориентации молекулы поверхностно-активного вещества (ПАВ), что вызывает понижение поверхностного натяжения. Кроме этого поверхностно-активные вещества (ПАВ) с длинными радикалами на поверхности капелек могут образовывать пленки значительной вязкости (структурно-механический фактор). Для эмульгаторов справедливо правило Ван – Крофта: эмульгаторы, растворимые в углеводороде, образуют эмульсии типа «вода в масле»; эмульгаторы, растворимые в воде, образуют эмульсии типа «масло в воде».

Растворимость ПАВ характеризуется числом ГЛБ. Чем оно больше, тем сильнее баланс сдвинут в сторону гидрофильных свойств, тем лучше данное вещество растворяется в воде.

ГЛБ является эмпирической безразмерной величиной:

,

где b – безразмерный параметр, зависящий от природы ПАВ;

y - свободная энергия взаимодействия в расчете на одну –СН₂– группу:

n - число групп –СН₂ – в углеводородном радикале (групповое число);

а – сродство полярной группы молекулы ПАВ к воде. Величина (b + yn) характеризует сродство (свободную энергию взаимодействия) неполярных групп молекул ПАВ к углеводородной жидкости.

Число ГЛБ есть отношение работы адсорбции молекул ПАВ на границе М-В из фазы «масло» (числитель формулы) к работе адсорбции из «водной» фазы (знаменатель формулы). По значению ГЛБ определяют групповое число (число групп –СН₂–) в углеводородном радикале молекулы ПАВ, обусловливающее адсорбцию ПАВ на границе М-В.

ПАВ с числом ГЛБ от 8 до 13 лучше растворимы в воде, чем в масле, и образуют эмульсии I рода. ПАВ с числом ГЛБ от 3 до 6 образуют эмульсии II рода.

Для оценки эмульгаторов используют значения гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ). В зависимости от числа гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) можно предположить тип образующейся эмульсии. Величина гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) определяется разностью работ по адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раздела из одной и другой фаз. Значения гидрофильного липофильного баланса (ГЛБ) даны в справочниках.

Пены

Типичные пены представляют собой сравнительно весьма грубые высоко концентрированные дисперсии газа в жидкости. Пузырьки газа имеют размер порядка от несколько миллиметров, а иногда и сантиметров. Благодаря избытку газовой фазы и взаимному сдавливанию пузырьков, они имеют не сферическую, а полиэдрическую форму. Стенки их состоят из весьма тонких пленок жидкой дисперсионной среды (рис. 6.4.1.1). Вследствие этого пены имеют сотообразную структуру, большой размер отдельных пузырьков и тесное расположение их исключают возможность броуновского движения. Кроме того, в результате особой структуры пены обладают некоторой механической прочностью. Пены образуются при диспергировании газа в жидкости в присутствии стабилизатора. Без стабилизатора устойчивые пены не получаются. Прочность и продолжительность существования пены зависит от свойств и содержания пенообразователя, адсорбированного на межфазной границе. Устойчивость пен зависит от следующих основных факторов:

1. Природы и концентрации пенообразователя.

2. Температуры. Чем выше температура, тем ниже устойчивость, т.к. уменьшается вязкость межпузырьковых слоев и происходит десорбция стабилизатора, т.е. увеличивается растворимость поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде.

Формально суспензии от лиозолей (коллоидных растворов) отличаются только размерами частиц дисперсной фазы. Размеры твердых частиц в суспензиях (более 10^-5 см.) могут быть на несколько порядков больше, в лиозолях (10^-7-10^-5 см). Это количественное различие обусловливает чрезвычайно важную особенность суспензий: в большинстве суспензий частички твердой фазы не участвуют в броуновском движении. Поэтому свойства суспензий существенно отличаются от свойств коллоидных растворов; их рассматривают как самостоятельный вид дисперсных систем.

Суспензии классифицируются по нескольким признакам:

1. По природе дисперсионной среды: органосуспензии (дисперсионная среда - органическая жидкость) и водные суспензии.

2. По размерам частиц дисперсной фазы: грубые суспензии (d > 10^-2 см), тонкие суспензии (-5×10^-5< d < 10^-2 см), мути (1×10^-5< d < 5×10^-5 см).

3. По концентрации частиц дисперсной фазы: разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные суспензии (пасты).

В разбавленных суспензиях частицы свободно перемещаются в жидкости, сцепление между частицами отсутствует и каждая частица кинетически независима. Разбавленные суспензии - это свободнодисперсные бесструктурные системы. В концентрированных суспензиях (пастах) между частицами действуют силы, приводящие к образованию определенной структуры (пространственной сетки). Таким образом, концентрированные суспензии - это связнодисперсные структурированные системы.

Конкретные значения концентрационного интервала, в котором начинается структурообразование, индивидуальны и зависят, в первую очередь от природы фаз, формы частиц; дисперсной фазы, температуры, механических воздействий. Механические свойства разбавленных суспензий определяются, главным образом, свойствами дисперсионной среды, а механические свойства связнодисперсных систем определяются, кроме того, свойствами дисперсной фазы и числом контактов между частицами.

Суспензии, так же как и любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов: со стороны грубодисперсных систем - диспергационными методами, со стороны истинных растворов - конденсационными методами.

Наиболее простым и широко распространенным как в промышленности, и в быту методом получения разбавленных суспензий является взбалтывание соответствующего порошка в подходящей жидкости с использованием различных не перемешивающих устройств (мешалок, миксеров и т. д.). Для получения концентрированных суспензий (паст) соответствующие порошки растирают с небольшим количеством жидкости.

Так как суспензии отличаются от лиозолей только тем, что частицы в них на несколько порядков больше, все методы, которые используются для получения золей, можно применять и для получения суспензий. При этом необходимо, чтобы степень измельчания диспергациониыми методами была меньше, чем при получении лиозолей. При конденсационных методах конденсацию необходимо проводить так, чтобы образовывались частицы, имеющие размеры 10^-5 – 10^-2 см. Размер образующихся частиц зависит от соотношения скоростей образования зародышей кристаллов и их роста. При небольших степенях пресыщения обычно образуются крупные частицы, при больших - мелкие. Предварительное введение в систему зародышей кристаллизации приводит к образованию практически монодисперсных суспензий. Уменьшение дисперсности может быть достигнуто в результате изотермической перегонки при нагревании, когда мелкие кристаллы растворяются, а за их счет растут крупные.

При этом должны соблюдаться условия, ограничивающие возможности значительного разрастания и сцепления частиц дисперсной фазы. Дисперсность образующихся суспензий можно регулировать также введением ПАВ.

Суспензии очищают от примесей растворенных веществ диализом, электродиализом, фильтрованием, центрифугированием.

Суспензии образуются также в результате коагуляции лиозолей. Следовательно, способы осуществления коагуляции - это одновременно и методы получения суспензий. Отсутствие структуры в разбавленных суспензиях и наличие ее в концентрированных обусловливает резкое различие в свойствах этих систем.

Оптические свойства разбавленных суспензий: длины волн видимой части спектра лежат в пределах от 4×10^-5 см (фиолетовый свет) до 7×10^-5 см (красный свет). Световая волна, проходя через суспензию, может поглощаться (тогда суспензия окрашена), отражаться от поверхности частиц дисперсной фазы по законам геометрической оптики (тогда суспензия выглядит как мутная) и только в высокодисперсных суспензиях - мутях (5×10^-5) может наблюдаться светорассеяние, отклоняющееся от закона Рэлея.

В оптический микроскоп видны частицы, размер которых не менее 5×10^-5 см, что соответствует большинству разбавленных суспензий.

Электрокинетические свойства суспензий подобны аналогичным свойствам гидрозолей и обусловлены образованием на поверхности частиц ДЭС и возникновение потенциала.

В суспензиях проявляются все 4 вида электрокинетических явлений. Наиболее широкое применение нашел электрофоретический метод нанесения покрытий на разные поверхности.

Молекулярно-кинетические свойства суспензий отличаются в зависимости от размеров частиц суспензий. Для частиц 10^-4 – 10^-5 см наблюдается седиментационно-диффузионное равновесие. Описываемое соответствующем уравнением (см. седимент. устойчивость)

Для частиц 10^-4 – 10^-2 броуновское движение практически отсутствует и для них характерна быстрая седиментация (см. седимент. устойчивость). т.е. для них применим седиментационный анализ.

Седиментационная устойчивость суспензии - это способность её сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.

Так как большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, то они являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами.

Изучение седиментации суспензий связано, в очередь с получением кривых накопления осадка (кривых седиментации) m=f(t). Кривыe накопления мог быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментации зависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивой или нет. Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно, увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точка перегиба. Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляций), то на кривой седиментации перегиб отсутствуёт. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.

В агрегативно устойчивых суспензиях оседаниечастиц происходит медленно и формируется очень плотный осадок. Объясняется это тем, что поверхностные слои препятствуют агрегированию частиц; скользя друг по другу, частицы могут перейти в положение с минимальной потенциальной энергией, т.е. с образованием упаковки, близкой к плотнейшей. В этом случае расстояние между частицами и координационное число (число соседних частиц) в осадке такой седиментирующей, но предельно стабилизированной суспензии, определяется соотношением между:

· силой тяжести;

· межмолекулярным притяжением частиц;

· силами отталкивания между частицами, обеспечивающими агрегативную устойчивость суспензии.

В агрегативно неустойчивых суспензиях оседание ча­стиц происходит значительно быстрее вследствие образования агрегатов. Однако выделяющийся осадок занимает гораздо больший объем, так как частицы сохраняют, то случайное взаимное расположение, в котором они оказались при первом же контакте, силы сцепления между ними соизмеримы с их силой тяжести или больше ее. Наблюдается анизометрия (т. е. преобладание одного из размеров частицы над двумя другими) образующихся агрегатов или флокул. Исследования показывают, что наиболее вероятны цепочечные и спиральные первоначальные агрегаты, из которых затем получаются осадки большого седиментационного объема.

Различие седиментационных объемов агрегативно устойчивых и неустойчивых систем наиболее, четко проявляется, если частицы имеют средние размеры. Если частицы крупные, то, несмотря да то, что суспензия агрегативно неустойчивая, осадок получается более плотным из-за значительной силы тяжести, зачастую преобладающей над си­лами сцепления между частицами. Если же частицы очень мелкие, то и в агрегативно устойчивой системе из-за малой силы тяжести образуется чрезвычайно подвижный осадок.

Агрегативная устойчивость суспензии - это способность сохранять неизменной во времени степень дисперсности т. е. размеры частиц и их индивидуальность.

Агрегативная устойчивость разбавленных суспензий весьма сходна с агрегативной устойчивостью лиофобных золей. Но суспензии являются более агрегативно устойчивыми системами, так как содержат более крупные частицы и следовательно, имеют меньшую свободную поверхностную энергию.

При нарушении агрегативной устойчивости суспензии происходит коагуляция - слипание частиц дисперсной фазы.

Для достижения агрегативной устойчивости суспензии необходимо выполнение по крайней мере одного из двух условий:

· смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной средой;

· наличие стабилизатора.

Первое условие. Если частицы суспензии хорошо смачиваются дисперсионной средой, то на их поверхности образуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты. Хорошая смачиваемость частиц наблюдается в суспензиях полярных частиц в полярных жидкостях и неполярных частиц в неполярных жидкостях.

Второе условие. Если частицы суспензии не смачиваются или плохо смачиваются дисперсионной средой, то используют стабилизатор.

Стабилизатор - это вещество, добавление которого в дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т.е .препятствует слипанию частиц.

В качестве стабилизаторов суспензий применяют:

· низкомолекулярные электролиты;

· коллоидные ПАВ;

· ВМС.