Emulsion

In diesem Artikel handelt es sich um Gemische von Flüssigkeiten. Für die in der Fotografie verwendete lichtempfindliche Mischung siehe Fotografische Emulsion.
  1. Zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, noch nicht emulgiert
  2. Eine Emulsion von Phase II, die in Phase I verteilt ist
  3. Die instabile Emulsion trennt sich progressiv
  4. Das Tensid (Umriss um Partikel) positioniert sich auf den Grenzflächen zwischen Phase II und Phase I und stabilisiert die Emulsion

Ein Emulsion ist ein Mischung von zwei oder mehr Flüssigkeiten das sind normalerweise nicht mischbar (unmischbar oder unblutbar) aufgrund von Flüssigkeitsflüssigkeiten Phasentrennung. Emulsionen sind Teil einer allgemeineren Klasse von zweiphasigen Systemen von Angelegenheit genannt Kolloide. Obwohl die Begriffe Kolloid und Emulsion werden manchmal austauschbar verwendet, Emulsion sollte verwendet werden, wenn sowohl Phasen als auch kontinuierliche Phasen Flüssigkeiten sind. In einer Emulsion eine Flüssigkeit (die verteilte Phase) ist verteilt in der anderen (die kontinuierliche Phase). Beispiele für Emulsionen umfassen Vinaigrettes, homogenisiert Milch, Flüssigkeit Biomolekulare Kondensate, und einige Flüssigkeit schneiden zum Metallarbeit.

Zwei Flüssigkeiten können verschiedene Arten von Emulsionen bilden. Zum Beispiel können sich Öl und Wasser zuerst eine Öl-in-Wasser-Emulsion bilden, in der das Öl die dispergierte Phase ist, und Wasser ist die kontinuierliche Phase. Zweitens können sie eine Wasser-in-Öl-Emulsion bilden, in der Wasser die dispergierte Phase und Öl die kontinuierliche Phase ist. Es sind auch mehrere Emulsionen möglich, einschließlich einer "Wasser-in-Wasser-Emulsion" und einer "Öl-in-Wasser-Öl-Emulsion".[1]

Emulsionen, Flüssigkeiten, weisen keine statische innere Struktur auf. Die in der kontinuierlichen Phase verteilten Tröpfchen (manchmal als "Dispersionsmedium" bezeichnet) werden normalerweise angenommen statistisch verteilt grob kugelförmige Tröpfchen produzieren.

Der Begriff "Emulsion" wird auch verwendet, um sich auf die fototempfindliche Seite von zu beziehen fotografischen Film. So ein fotografische Emulsion besteht aus Silberhalogenid kolloidale Partikel, die in a verteilt sind Gelatine Matrix. Nukleare Emulsionen sind ähnlich wie bei fotografischen Emulsionen, außer dass sie in der Teilchenphysik verwendet werden, um energiereiche Erkennung zu erkennen Elementarteilchen.

Etymologie

Das Wort "Emulsion" kommt vom Latein Emulgere "melken", von ex "out" + Mulgere "zu Milch", wie Milch eine Emulsion aus Fett und Wasser ist, zusammen mit anderen Komponenten, einschließlich kolloidal Kasein Mizellen (eine Art sekretierter Art Biomolekularkondensat).[2]

Aussehen und Eigenschaften

IUPAC

Ein Flüssigkeitssystem, bei dem Flüssigkeitstropfen in einer Flüssigkeit verteilt sind.

Anmerkung 1: Die Definition basiert auf der Definition in Lit.[3]

Anmerkung 2: Die Tröpfchen können amorph, flüssigkristallin oder irgendein sein.
Mischung davon.

Notiz 3: Die Durchmesser der Tröpfchen, die das ausmachen dispergierte Phase
Normalerweise reichen von ungefähr 10 nm bis 100 μm; d.h. die Tröpfchen
kann die üblichen Größengrenzen für überschreiten kolloidal Partikel.

Anmerkung 4: Eine Emulsion wird als Öl/Wasser (o/w) Emulsion bezeichnet, wenn der
dispergierte Phase ist ein organisches Material und das kontinuierliche Phase ist
Wasser oder eine wässrige Lösung und wird als Wasser/Öl (w/o) bezeichnet, wenn der dispergierte
Phase ist Wasser oder eine wässrige Lösung und die kontinuierliche Phase ist eine
Organische Flüssigkeit (ein "Öl").

Anmerkung 5: Eine W/O -Emulsion wird manchmal als inverse Emulsion bezeichnet.
Der Begriff "inverse Emulsion" ist irreführend, was falsch hindeutet
Die Emulsion hat Eigenschaften, die das Gegenteil von denen einer Emulsion sind.
Die Verwendung wird daher nicht empfohlen.[4]

Emulsionen enthalten sowohl eine dispergierte als auch eine kontinuierliche Phase, wobei die Grenze zwischen den Phasen als "Grenzfläche" bezeichnet wird.[5] Emulsionen haben tendenziell ein wolkiges Aussehen, weil die vielen Phasenschnittstellen streuen Licht, wie es durch die Emulsion verläuft. Emulsionen erscheinen Weiß Wenn alles Licht gleich verstreut ist. Wenn die Emulsion verdünnt genug ist, wird das Licht mit höherer Frequenz (niedriger Wellenlänge) mehr verstreut, und die Emulsion wird erscheinen Blauer- Dies nennt man das "Tyndall-Effekt".[6] Wenn die Emulsion so konzentriert ist, wird die Farbe in Richtung vergleichsweise längerer Wellenlängen verzerrt und erscheinen mehr gelb. Dieses Phänomen ist beim Vergleich leicht zu beobachten Magermilch, was wenig Fett enthält, zu Creme, was eine viel höhere Konzentration von Milchfett enthält. Ein Beispiel wäre eine Mischung aus Wasser und Öl.[7]

Zwei besondere Klassen von Emulsionen - Mikroemulsionen und Nanoemulsionen mit Tröpfchengrößen unter 100 nm - erscheinen durchscheinend.[8] Diese Eigenschaft ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Lichtwellen nur dann von den Tröpfchen verstreut werden, wenn ihre Größen etwa ein Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts überschreiten. Seit der sichtbares Spektrum Licht besteht aus Wellenlängen zwischen 390 und 750 Nanometer (NM) Wenn die Tröpfchengrößen in der Emulsion unter etwa 100 nm liegen, kann das Licht durch die Emulsion eindringen, ohne verstreut zu werden.[9] Aufgrund ihrer Ähnlichkeit im Erscheinungsbild, durchscheinenden Nanoemulsionen und Mikroemulsionen sind häufig verwirrt. Im Gegensatz zu durchscheinenden Nanoemulsionen, bei denen spezielle Geräte erzeugt werden müssen Tenside, Co-Tenside und Co-Lösungsmittel.[8] Die erforderliche Tensidkonzentration in a Mikroemulsion ist jedoch in einer durchscheinenden Nanoemulsion mehrmals höher als die und übersteigt die Konzentration der dispergierten Phase signifikant. Aufgrund vieler unerwünschter Nebenwirkungen, die durch Tenside verursacht werden, ist ihre Anwesenheit in vielen Anwendungen nachteilig oder unerschwinglich. Darüber hinaus kann die Stabilität einer Mikroemulsion häufig durch Verdünnung, durch Erhitzen oder durch Änderung der pH -Werte leicht beeinträchtigt.

Häufige Emulsionen sind von Natur aus instabil und bilden sich daher nicht spontan. Energieeingang - durch Schütteln, Rühren, Homogenisierung, oder Stromeingänge Ultraschall[10]- wird benötigt, um eine Emulsion zu bilden. Im Laufe der Zeit neigen Emulsionen dazu, in den stabilen Zustand der Phasen aus der Emulsion zurückzukehren. Ein Beispiel hierfür ist bei der Trennung der Öl- und Essigkomponenten von Vinaigrette, eine instabile Emulsion, die sich schnell trennt, sofern sie nicht fast ununterbrochen erschüttert werden. Es gibt wichtige Ausnahmen von dieser Regel - Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabil, während durchscheinende Nanoemulsionen sind kinetisch stabil.[8]

Ob eine Emulsion von Öl und Wasser in eine "Wasser-in-Öl" -Emulsion oder eine "Öl-in-Wasser" -Emulsion verwandelt wird Emulgator, unten) vorhanden.[11]

Instabilität

Die Emulsionsstabilität bezieht sich auf die Fähigkeit einer Emulsion, Veränderungen ihrer Eigenschaften im Laufe der Zeit zu widerstehen.[12][13] Es gibt vier Arten von Instabilität in Emulsionen: Flockung, Koaleszenz, Creme/Sedimentation, und Ostwald reif. Die Flockung tritt auf, wenn es eine attraktive Kraft zwischen den Tröpfchen gibt, sodass sie wie Traubenfrüchten bilden. Dieser Prozess kann, wenn es in seinem Ausmaß kontrolliert wird, erwünscht, um die physikalischen Eigenschaften von Emulsionen wie ihr Flussverhalten zu stimmen. [14] Koaleszenz tritt auf, wenn Tröpfchen ineinander stoßen und sich zu einem größeren Tröpfchen verbinden, sodass die durchschnittliche Tröpfchengröße im Laufe der Zeit zunimmt. Emulsionen können ebenfalls erfahren Creme, wo die Tröpfchen unter dem Einfluss von der Emulsion auf die Spitze der Emulsion aufsteigen Auftrieb, oder unter dem Einfluss der Zentripetalkraft induziert, wenn a Zentrifuge wird genutzt.[12] Creaming ist ein häufiges Phänomen in Milch- und Nichtmilchgetränken (d. H. Milch, Kaffeemilch, Mandelmilch, Sojamilch) und ändert normalerweise nicht die Tröpfchengröße.[15] Die Sedimentation ist das entgegengesetzte Phänomen von Creming und wird normalerweise in Wasser-in-Öl-Emulsionen beobachtet.[5] Die Sedimentation tritt auf, wenn die dispergierte Phase dichter ist als die kontinuierliche Phase und die Gravitationskräfte die dichteren Kügelchen zum Boden der Emulsion ziehen. Ähnlich wie das Semieren folgt Sedimentation das Gesetz von Stokes.

Ein geeigneter "oberflächenaktives Mittel" (oder "Tensid") kann die kinetische Stabilität einer Emulsion so erhöhen, dass sich die Größe der Tröpfchen nicht wesentlich mit der Zeit ändert. Die Stabilität einer Emulsion, wie a Suspension, kann in Bezug auf untersucht werden Zetapotential, was die Abstoßung zwischen Tröpfchen oder Partikeln angibt. Wenn sich die Größe und Dispersion von Tröpfchen im Laufe der Zeit nicht ändert, wird sie als stabil bezeichnet.[16] Zum Beispiel enthält Öl-in-Wasser-Emulsionen Mono- und Diglyceride und Milchprotein als Tensid zeigten diese stabile Öltröpfchengröße über 28 Tage bei 25 ° C.[15]

Überwachung der physischen Stabilität

Die Stabilität von Emulsionen kann mithilfe von Techniken wie Lichtstreuung, fokussierter Strahlreflexionsvermögen, Zentrifugation und Zentrifugation gekennzeichnet werden Rheologie. Jede Methode hat Vor- und Nachteile.[17]

Beschleunigungsmethoden für die Vorhersage der Haltbarkeit

Der kinetische Prozess der Destabilisierung kann für einige Produkte ziemlich lang sein - bis zu mehreren Monaten oder sogar Jahre.[18] Oft muss der Formulator diesen Prozess beschleunigen, um Produkte in einer angemessenen Zeit während des Produktdesigns zu testen. Wärme Methoden werden am häufigsten verwendet - diese bestehen darin, die Emulsionstemperatur zu erhöhen, um die Destabilisierung zu beschleunigen (falls unter kritischen Temperaturen für die Phaseninversion oder chemische Abbau).[19] Die Temperatur beeinflusst nicht nur die Viskosität, sondern auch die Grenzflächenspannung bei nichtionischen Tensiden oder in einem breiteren Umfang Wechselwirkungen zwischen Tröpfchen innerhalb des Systems. Das Speichern einer Emulsion bei hohen Temperaturen ermöglicht die Simulation realistischer Bedingungen für ein Produkt (z. B. eine Röhre Sonnenschutzmittel in einem Auto in der Sommerwärme), beschleunigt aber auch Destabilisierungsprozesse bis zu 200 Mal.

Mechanische Beschleunigungsmethoden, einschließlich Vibration, Zentrifugation und Agitation, können ebenfalls verwendet werden.

Diese Methoden sind fast immer empirisch, ohne eine solide wissenschaftliche Grundlage.

Emulgatoren

Ein Emulgator (Auch als "emulgent" bezeichnet) ist eine Substanz, die eine Emulsion stabilisiert, indem er ihre Erhöhung erhöht Kinetische Stabilität. Emulgatoren sind Teil einer breiteren Gruppe von Verbindungen, die als bekannt sind Tenside, oder "oberflächenaktive Agenten".[20] Tenside (Emulgatoren) sind Verbindungen, die typischerweise sind Amphiphil, was bedeutet, dass sie einen Polar haben oder hydrophil (d.h. wasserlöslich) Teil und ein nicht Polar (d. H. Hydrophobes oder lipophil) Teil. Aus diesem Grund haben Emulgatoren in der Regel mehr oder weniger Löslichkeit entweder in Wasser oder in Öl. Emulgatoren, die in Wasser (und umgekehrt weniger löslich in Öl) löslicher sind, bilden im Allgemeinen Öl-in-Wasser-Emulsionen, während Emulgatoren, die in Öl löslicher sind, Wasser-in-Öl-Emulsionen bilden. [21]

Beispiele für Lebensmittelemulgatoren sind:

Waschmittel sind eine weitere Klasse von Tensid und werden physisch mit beiden interagieren Öl und Wasserso stabilisieren die Grenzfläche zwischen Öl- und Wassertröpfchen in Suspension. Dieses Prinzip wird ausgenutzt in Seife, zu entfernen Fett im Sinne Reinigung. Viele verschiedene Emulgatoren werden in verwendet Apotheke Emulsionen wie z. Cremes und Lotionen. Häufige Beispiele sind Emulgierung von Wachs, Polysorbate 20, und Ceteareth 20.[24]

Manchmal kann die innere Phase selbst als Emulgator wirken, und das Ergebnis ist eine Nanoemulsion, in die sich der innere Zustand verteilt "Nanogröße"Tröpfchen in der äußeren Phase. Ein bekanntes Beispiel für dieses Phänomen, das"Ouzo -Effekt", passiert, wenn Wasser in einen starken Alkoholiker gegossen wird Anis-Basierte Getränk, wie z. Ouzo, Pastis, Absinth, Arak, oder Raki. Die anisolischen Verbindungen, die löslich sind Ethanoldann bilden Sie Tröpfchen in Nanogröße und emulgieren Sie sie im Wasser. Die resultierende Farbe des Getränks ist undurchsichtig und milchig weiß.

Emulgationsmechanismen

Eine Reihe verschiedener chemischer und physikalischer Prozesse und Mechanismen kann an den Emulgationsprozess beteiligt sein:[5]

  • Oberflächenspannungstheorie - Nach dieser Theorie erfolgt die Emulgierung durch Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen
  • Abstoßungstheorie - Der emulgierende Agent erstellt einen Film über eine Phase, der Kugeln bildet, die sich gegenseitig abschälen. Diese abstoßende Kraft bewirkt, dass sie im Dispersionsmedium suspendiert bleiben
  • Viskositätsänderung - Emulgien wie Akazie und Tragakanth, die Hydrokolloide sind, sowie PEG (oder Polyethylenglykol), Glycerin und andere Polymere wie CMC (Carboxymethylcellulose), alle erhöhen die Viskosität des Medium

Verwendet

Im Essen

Öl-in-Wasser-Emulsionen sind in Lebensmitteln häufig:

  • Crema (Schaum) in Espresso - Kaffeeöl in Wasser (gebrautes Kaffee), instabiler Kolloid
  • Mayonnaise und Hollandaise Saucen -Dies sind Öl-in-Wasser-Emulsionen, die mit Eigelb stabilisiert sind Lecithin, oder mit anderen Arten von Lebensmittelzusatzstoffen, wie z. Natriumstearyllaktylat
  • Homogenisierte Milch - Eine Emulsion von Milchfett in Wasser, mit Milchproteinen als Emulgator
  • Vinaigrette - Eine Emulsion von Pflanzenöl im Essig, wenn dies nur mit Öl und Essig (d. H. Ohne Emulgatoren) hergestellt wird, entsteht eine instabile Emulsion

Wasser-in-Öl-Emulsionen sind in Lebensmitteln seltener, existieren aber immer noch:

Andere Lebensmittel können zum Beispiel in Produkte verwandelt werden Fleischemulsion ist eine Fleischfederung in Flüssigkeit, die den echten Emulsionen ähnelt.

Im Gesundheitswesen

Im Pharmazie, Haar Styling, Körperhygiene, und KosmetikaEmulsionen werden häufig verwendet. Dies sind normalerweise Öl- und Wasseremulsionen, aber dispergiert, was kontinuierlich in vielen Fällen abhängt Pharmazeutische Formulierung. Diese Emulsionen können genannt werden Cremes, Salben, Linimente (Balsame), Pasten, Filme, oder Flüssigkeitenhauptsächlich abhängig von ihren Öl-zu-Wasser-Verhältnissen, anderen Zusatzstoffen und ihrer beabsichtigten Verwaltungsweg.[25][26] Die ersten 5 sind topisch Dosierungsformenund kann auf der Oberfläche der verwendet werden Haut, transdermal, ophthalmisch, repariert, oder vaginal. Eine hochflüssige Emulsion kann auch verwendet werden oral, oder vielleicht injiziert in manchen Fällen.[25]

Mikroemulsionen werden verwendet, um zu liefern Impfungen und töte Mikroben.[27] Typische Emulsionen, die in diesen Techniken verwendet werden Sojaölmit Partikeln mit einem Durchmesser von 400 bis 600 nm.[28] Der Prozess ist nicht chemisch, wie bei anderen Arten von antimikrobiell Behandlungen, aber mechanisch. Je kleiner das Tröpfchen ist, desto größer ist das Oberflächenspannung und so ist die größere Kraft, die erforderlich ist, um mit anderen zusammenzuarbeiten Lipide. Das Öl wird mit Waschmitteln mit a emulgiert Hochschürmischmischer um die Emulsion zu stabilisieren, wenn sie den Lipiden in der begegnen Zellmembran oder Umschlag von Bakterien oder VirenSie zwingen die Lipide, sich mit sich selbst zu verschmelzen. Auf einer Massengröße zerfällt dies tatsächlich die Membran und tötet den Erreger ab. Die Sojabohnenölemulsion schadet weder normale menschliche Zellen noch die Zellen der meisten anderen höhere Organismenmit Ausnahmen von Spermazellen und Blutzellen, die aufgrund der Besonderheiten ihrer Membranstrukturen für Nanoemulsionen anfällig sind. Aus diesem Grund werden diese Nanoemulsionen derzeit nicht verwendet intravenös (Iv). Die effektivste Anwendung dieser Art von Nanoemulsion ist für die Desinfektion von Oberflächen. Es wurde gezeigt, dass einige Arten von Nanoemulsionen wirksam zerstören HIV-1 und Tuberkulose Krankheitserreger auf nichtporös Oberflächen.

Im Feuerwehr

Emulgiermittel sind wirksam, um Brände auf kleinen, dünnschichtigen Verschüttungen von brennbaren Flüssigkeiten zu löschen (Feuer der Klasse B). Solche Mittel verkapulieren den Kraftstoff in einer Brennstoff-Wasser-Emulsion, wodurch die brennbaren Dämpfe in der Wasserphase eingefangen werden. Diese Emulsion wird durch Anwenden eines erreicht wässrig Tensidlösung für den Kraftstoff durch eine Hochdruckdüse. Emulgatoren sind nicht wirksam beim Löschen großer Brände mit massenerhaften/tiefen Flüssigkeitsträgern, da die für die Löschung benötigte Menge an Emulgatoren eine Funktion des Kraftstoffs ist, während andere Mittel wie z. wässriger filmbildender Schaum Bedarf nur die Oberfläche des Kraftstoffs, um eine Dampfminderung zu erreichen.[29]

Chemische Synthese

Hauptartikel: Emulsionspolymerisation

Emulsionen werden zur Herstellung von Polymerdispersionen verwendet - die Polymerproduktion in einer Emulsionsphase hat eine Reihe von Prozessvorteilen, einschließlich der Verhinderung der Koagulation des Produkts. Produkte, die durch solche Polymerisationen hergestellt werden, können als Emulsionen verwendet werden - Produkte, einschließlich Hauptkomponenten für Klebstoffe und Farben. Synthetik Latexes (Rubber) werden auch durch diesen Prozess hergestellt.

Siehe auch

Verweise

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Andere Quellen