Ćwiczenie 7

OTRZYMYWANIE EMULSJI I BADANIE ICH WŁAŚCIWOŚCI

ODCZYNNIKI

-         wosk pszczeli

-         olej parafinowy

-         olej sojowy

-         oliwa z oliwek

-         Na2B4O7 · 10 H2O (boraks)

-         woda destylowana

-         stearyna

-         trójetanoloamina

-         gliceryna

-         olejek zapachowy

-         Sudan IV

-         oranż metylowy

APARATURA

-         zlewki: 50 cm3 x 2, 100 cm3, 25 cm3 x 2

-         mieszadło mechaniczne

-         termometr (do 100oC)

-         pipeta 10 cm3, 2 cm3, 1 cm3

-         mikroskop Boetius

-         szkiełka mikroskopowe

-         probówki

-         mikropipetka

-         szpatułka

-         łyżeczka

-         krystalizator 250 cm3

-         palnik gazowy

-         szkiełka zegarkowe x 6

-         bagietki x 6

I.                   CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest nabycie umiejętności otrzymywania emulsji typu O/W i W/O i poznanie ich podstawowych właściwości.

II.             WSTĘP TEORETYCZNY

Emulsja - dwufazowe, ciekłe układy dyspersyjne utworzone z dwóch cieczy wzajemnie w sobie nierozpuszczalnych. W jednej cieczy, zwanej fazą ciągłą lub zewnętrzną, zawieszone są subtelne kropelki drugiej cieczy, zwanej fazą rozproszoną lub wewnętrzną. Emulsją jest mleko, majonez, kremy, maści, tzw. mleczka itp.

Przyrządzanie emulsji polega na dodawaniu oleju do roztworu wodnego przy silnym mieszaniu. Otrzymuje się wtedy:

a)     emulsje typu olej w wodzie (O/W) - zawiesinę oleju w wodzie, tzn. olej jest substancją rozproszoną (zdyspergowaną) w wodzie

b)    emulsje typu woda w oleju (W/O) - zawiesinę wody  w oleju, tzn. woda jest rozproszona (zdyspergowana) w oleju

c)     emulsje podwójne, w których krople wody rozproszonej zawierają w sobie jeszcze mniejsze kropelki fazy rozpraszającej (dyspersyjnej). Wyróżnia się:

Ø     O/W/O – układ oleju w wodzie zdyspergowanego dodatkowo w oleju

Ø     W/O/W – układ wody w oleju zdyspergowanego dodatkowo w wodzie

Konsystencja lub gęstość emulsji zależy od wielu czynników: zawartości fazy rozproszonej, rodzaju emulgatora, lepkości fazy rozpraszającej i obecności w tej fazie substancji konsystencjotwórczych.

Określenia typu emulsji można dokonać:

pod mikroskopem, oglądając warstwę emulsji zabarwioną barwnikiem rozpuszczalnym w olejach (np. Sudan IV) lub w wodzie (np. oranż metylowy). Zabarwieniu ulegnie oczywiście ta faza, która rozpuszcza barwnik.

Ø     przy pomocy prostej próby rozcieńczania wodą:

·        emulsja typu O/W daje się łatwo wymieszać z woda na jednorodne mleczko

·        emulsja typu W/O po wymieszaniu z woda tworzy grudki i kłaczki

Ø     sprawdzenie przewodności elektrycznej emulsji

·        emulsje typu O/W, gdzie fazą zewnętrzna, ciągłą, jest rozpuszczalnik polarny (najczęstszy przypadek to wodny roztwór elektrolitów) będzie przewodzić prąd elektryczny

·        emulsja W/O będzie wykazywać dużą oporność.

Emulgatory. Wszystkie dobrze oczyszczone tłuszcze płynne i stałe oraz węglowodory naftowe (olej wazelinowy i parafinowy, wazelina, parafina) w wodzie trudno się emulgują, a wytworzone emulsje są nietrwałe. Ponieważ w emulsjach powierzchnia styku dwóch faz (niemieszających się składników) jest bardzo duża, układ może być trwały tyko w przypadku, gdy siły napięcia powierzchniowego między fazami będą bliskie zeru. W przypadku przeciwnym faza rozproszona w bardzo krótkim czasie łączy się w fazę ciągłą i emulsja rozdziela się na dwie fazy ciągłe ((koalescencja).

Tak w przyrodzie, jak i w emulsjach tworzonych przez człowieka w celu obniżenia napięcia powierzchniowego między fazami wykorzystuje
się substancje trzecie, zwane emulgatorami, tenzydami, środkami powierzchniowo -czynnymi, których budowa powoduje, że umieszczają się one na granicy faz, jedną częścią "zanurzone" w fazie hydrofilowej a drugą w hydrofobowej. Tworząc taką monomolekularną warstewkę przyjmują na siebie "bycie granicą faz", a ponieważ ich powinowactwo do obu faz jest podobne, powodują praktycznie zanik napięcia powierzchniowego (dobre emulgatory) lub przynajmniej jego poważne obniżenie (środki powierzchniowe czynne) i tym sposobem stabilizują emulsje.

Schemat budowy cząsteczki emulgatora

emulsja W/O

Ponieważ mechanizm obniżania napięcia powierzchniowego polega na tworzeniu cienkiej, najczęściej monomolekularnej warstewki na granicy faz, emulgator dodany do emulsji tylko do pewnego stężenia wspomaga tworzenie i utrzymanie emulsji, dodany w nadmiernej ilości nie powoduje już obniżenia napięcia powierzchniowego i nie gromadzi się więcej na granicy faz tylko tworzy skupiska (micele) w fazie ciągłej.

Można je utrwalić przez dodanie substancji wytwarzających z wodą roztwory koloidowe (np. kleiku skrobiowego, żelatyny, białka, kazeiny, agaru, pektyny, tylozy) i wskutek tego przeszkadzających łączeniu się poszczególnych kuleczek oleju. W ten sposób przyrządzane są niektóre płyny emulsyjne, np. mleczko kosmetyczne. Większość emulsji jest sporządzana przy zastosowaniu emulgatorów, tj. substancji umożliwiających utworzenie lub utrzymanie jednolitej mieszaniny dwóch lub więcej wzajemnie nie mieszających się faz, takich jak olej i woda. Emulgatory stosowane do produkcji kosmetyków można podzielić na:

Ø     syntetyczne (otrzymywane w wyniku złożonych reakcji chemicznych)

Ø     naturalne

W grupie emulgatorów syntetycznych największe znaczenie maja produkty

przyłączenia tlenku etylenu do alkoholi tłuszczowych zawierających 16-18 atomów węgla w łańcuchu węglowodorowym. Liczbę cząsteczek połączonych z alkoholem określa się jako stopień oksyetylenowania. Zależnie od stopnia oksyetylenowania otrzymuje się substancje o różnej polarności. Związki o niskim stopniu oksyetylenowania (2-5) stosuje się do wytwarzania emulsji typu W/O, a o wyższym stopniu oksyetylenowania (8-20) jako emulgatory O/W.

Powinowactwo emulgatora do fazy olejowej i fazy wodnej określa parametr HLB (Hydrophilic-Liophilic Balance). Wartość HLB, zależna głównie od budowy cząsteczki, a dokładniej od stosunku części hydrofilowej do hydrofobowej, określa, czy dany środek powierzchniowo czynny stabilizuje lepiej emulsje O/W czy W/O. Umownie przyjęto skale HLB w zakresie 1 - 40. Wartość 1 odnosi się do kwasu olejowego, wartość 40 do laurylosiarczanu sodowego. Emulgatory o HLB <10 pozwalają wytwarzać emulsje typu W/O (są lepiej rozpuszczalne w fazie niepolarnej). HLB powyżej 10 predysponuje emulgator do użycia w emulsji O/W. Liczba HLB charakteryzuje się addytywnością , tzn. dla mieszaniny emulgatorów można ją obliczyć na podstawie wartości HLB poszczególnych składników i ich względnego udziału w mieszaninie.

Podział emulgatorów ze względu na charakter chemiczny

Czynniki wpływające na trwałość emulsji:

Ø     napięcie międzyfazowe (powierzchniowe)

Ø     wielkość kulek fazy rozproszonej - emulsja o większej dyspersji będzie trwalsza, ze względu na mniejsza masę pojedynczej kuleczki i związaną z tym większą ich ruchliwość.

Emulsje przechowywane przez dłuższy okres wykazują zjawisko śmietankowania, tzn. gromadzenia się kuleczek fazy rozproszonej na powierzchni na skutek działania sił wyporności cieczy. Sprzyjać temu będzie duża różnica gęstości cieczy i większy promień kulek emulsji. Dalszym etapem destrukcji jest łączenie się pojedynczy kuleczek emulsji w większe, czego końcowym efektem jest złamanie emulsji (rozdzielenie się faz).

Receptury kosmetyczne składają się z trzech faz:

1.     Fazy tłuszczowej: oleje, masła roślinne i inne składniki lipofilowe (powinowate do oleju) jak emulgatory, emolienty, woski i substancje zagęszczające.

Ø     Biobaza emulgująca (2 - 8%)

Ø     Emolienty: oleje roślinne, masła kosmetyczne  (10 - 30 %)

Ø     Substancje zagęszczające (opcjonalnie, woski, guma guar) 1%

2.     Fazy wodnej obejmującej wodę destylowaną i inne wodnopoc...