Emulsje – skąd ich nietrwałość?

Emulsje są termodynamicznie nietrwałe, co spowodowane jest istniejącym napięciem międzyfazowym w układzie. Im większa jest powierzchnia kontaktu tych faz, tym większa jest energia wewnętrzna i entropia układu oraz napięcie powierzchniowe na ich granicy. Układy emulsyjne dążą do zminimalizowania energii swobodnej, co prowadzi do ich destabilizacji. Jest to niekorzystne zjawisko dotyczące emulsji kosmetycznych, dlatego stosuje się różne metody wpływające na obniżenie napięcia międzyfazowego i przedłużenie trwałości układów. Ważne jest także sprawdzanie trwałości emulsji dostępnymi metodami badawczymi.

Czynniki wpływające na stabilność emulsji

Procesy destabilizacji emulsji dzielą się na odwracalne (po zmieszaniu następuje powrót do pierwotnego stanu emulsji) i są to: śmietanowanie, sedymentacja i inwersja faz oraz nieodwracalne i jest to zjawisko złamania emulsji, które poprzedzone jest flokulacją i koalescencją.

Istnieje wiele czynników wpływających na stabilność fizykochemiczną emulsji. Pierwszym z nich jest rodzaj, stężenie a także ilość zastosowanego emulgatora. Właśnie ta substancja, dzięki gromadzeniu się na powierzchni kropel emulsji obniża napięcie międzyfazowe emulsji. Dobór odpowiedniego emulgatora jest zatem bardzo istotny dla wytworzenia stabilnego układu i opiera się o kryterium równowagi hydrofilowo-lipofilowej (HLB). Gdy emulgator należy do związków jonowych, dodatek niektórych elektrolitów wywołuje inwersję faz. Kolejnym czynnikiem jest stopień dyspersji fazy rozproszonej i jednorodność cząstek fazy zdyspergowanej. Im faza wewnętrzna jest bardziej zdyspergowana, tym mniejsze jest ryzyko sedymentacji (według prawa Stokesa), flokulacji (zgodnie z siłami van der Waalsa) oraz koalescencji (o czym decydują ruchy Browna). +Proces sedymentacji znacznie opóźnia maksymalne zmniejszenie średnic kropel fazy zdyspergowanej. Następne czynniki warunkujące trwałość układów emulsyjnych to lepkość fazy ciągłej oraz gęstości faz. Według Stokesa, szybkość przemieszczania się kropel w emulsji prowadząca do sedymentacji jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości fazy ciągłej i wprost proporcjonalna do różnicy gęstości faz. Dlatego duże różnice w gęstości obydwu cieczy oraz stosunkowo niska lepkość fazy ciągłej wpływają na szybkość destabilizacji układu dyspersyjnego. Na stabilność emulsji duży wpływ wywiera temperatura. Zarówno zbyt niska, jak i zbyt wysoka prowadzi do obniżenia trwałości. Za wysoka obniża skuteczność działania emulgatora oraz powoduje szybsze opadanie kropel, natomiast gdy temperatura spada poniżej zera, faza zewnętrza emulsji o/w zaczyna zamarzać. Bardzo ważne są też czynniki technologiczne na drodze otrzymywania emulsji, takie jak: typ mieszadła, szybkość i czas mieszania, które wpływają na dobrą homogenizację emulsji i ujednolicenie kropel fazy zdyspergowanej, co z kolei ogranicza zjawisko Ostwalda, które również prowadzi do destabilizacji układu.

Jak więc sprawdzić trwałość sporządzonej emulsji?

Podstawowym badaniem otrzymanego układu emulsyjnego jest zbadanie jego stabilności. Znane są różne metody służące temu, najbardziej rozpowszechnione z nich to: metoda wirówkowa, metoda zmiennych temperatur, metoda szoków termicznych. Pierwsza z nich polega na odwirowaniu próbki w wirówce przez określony czas i z odpowiednią prędkością. Siła odśrodkowa spowoduje rozwarstwienie najmniej stabilnych emulsji. Metoda zmiennych temperatur polega na ocenie, w jaki sposób otrzymany układ dyspersyjny zareaguje na przechowywanie w rożnych temperaturach. W tym celu badaną próbkę umieszcza się w określonych różnych temperaturach i mierzy się czas, po jakim nastąpi jej destabilizacja. Metoda szoków termicznych polega na umieszczeniu próbki w określonej temperaturze wysokiej, po czym umieszczenie jej w określonej temperaturze niskiej przez określony czas i powtarzanie tych czynności, aż do zaobserwowania pierwszych oznak destabilizacji. Miarą trwałości w przypadku tej metody jest ilość przeprowadzonych cykli, po których nastąpiło rozwarstwienie.