Giản đồ ba cấu tử của hệ ba nhũ tương.
Vi nhũ tương xuất hiện khi phân tử chất phân tán thiết lập với các phân tử nước và chất nhũ hoá tween polysorbate 80 tạo thành hệ phân tán lỏng/lỏng trong suốt của nước và dầu hay nước và một dung môi hữu cơ. Chúng ít nhớt, sự hình thành chúng là tự nhiên và không cần cung cấp năng lượng nhiều.
Ví dụ nếu khảo sát các vùng khác nhau tạo ra một giản đồ đẳng nhiệt đối với một hỗn hợp có tỷ lệ thay đổi: hiđrocacbua (đođecan)/chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80 (p-octylbenzen sunfonat natri)/phù trợ (pentanol) và nước: winsor I, II, III và IV (vi nhũ tương) phụ thuộc vào tỷ lệ của các hợp phần khác nhau có mặt (hình 5.4).
Hình 5.4. Các vùng winsor trong hệ: nước (NaCl 3g/l), đođecan, natri p-octylbenzen sunfonat , pentanol (tỷ lệ 1/37).
Trong vi nhũ tương, lực căng giới hạn nước/dầu là lực kéo vuông góc với mặt tiếp giáp theo đơn vị chiều dài rất nhỏ, thực tế bằng không.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và bền vững của vi nhũ tương.
Ảnh hưởng của độ mặn.
Các muối vô cơ hòa tan có ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện.
Làm giảm sự đẩy nhau giữa các hạt nước.
Làm giảm sự cứng của lớp giới hạn tỷ lệ chất hoạt động bề mặt/phù trợ.
Cải thiện khả năng hòa tan của pha hữu cơ thể hiện ra ở sự tăng vùng tồn tại của vi nhũ qua sự có mặt một lượng nhỏ muối (ít hơn 1%) trong khi một lượng dư làm giảm sự ion hóa của phân tử chất hoạt động bề mặt, hậu quả làm giảm vùng tồn tại vi nhũ (hình 5.5). Điều này chỉ có hiệu quả đối với chất hoạt động bề mặt ionic, còn không có giá trị đối với tween polysorbate 80 chất hoạt động bề mặt không ion hóa .
Hình 5.5. Giản đồ pha của hệ nước, toluen, butanol và đođexylbenzen sunfonat natri.
Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự hình thành của vi nhũ tương vì nó phụ thuộc vào độ hòa tan của chất nhũ hóa. Ví dụ điển hình là trường hợp hai pha vi nhũ của este sunfosucxinic, trong đó đường kính hạt là 10 đến 30 mm khi nhiệt độ ở giữa 150C và 360C.
Trong trường hợp tác nhân chất hoạt động bề mặt ionic, độ bền là khoảng rộng của nồng độ và nhiệt độ.
Trường hợp tác nhân chất hoạt động bề mặt không ionic (tween polysorbate 80), một số trong chúng có điểm đục nghĩa là chúng rời khỏi dung dịch khi nhiệt độ tăng, trong số lớn trường hợp xảy ra sự đảo pha.
Nhiệt độ của sự đảo pha là nhiệt độ ở dưới nhiệt độ của hệ dầu/nước tồn tại trong khi ở trên nhiệt độ đảo pha thì vi nhũ nước/dầu là duy nhất.
Sự chuyển hóa này thay đổi rất nhạy hình dạng của giản đồ ba cấu tử và diện tích vùng tồn tại của vi nhũ (hình 5.6).
Hình 5.6. Giản đồ phụ thuộc nhiệt độ. Dung dịch isotropic (đẳng hướng) của đođexyl ete với 4 mol OE-oxit etylen.
Phương pháp kiểm tra nhanh độ bền nhũ theo nhiệt độ.
Khi điều chỉnh nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước, một phương pháp đơn giản kiểm tra nhiệt độ thích hợp tiến hành như sau: Dùng một đũa thủy tinh khuấy nhanh dung dịch rồi thêm chất điều chỉnh nhũ vào. Quan sát môi trường thấy có điểm đục hay sự phát sáng thì dừng lại.
Phương pháp này kiểm tra trực tiếp độ bền của nhũ tại nhiệt độ của nó không phải ở môi trường xung quanh.
Cân bằng nhiệt của các hợp phần của một hệ bậc ba.
Pha nước và dầu mà người pha mong đợi sự phân tán của chúng nhờ chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80 không tan lẫn vào nhau. Biết rằng độ tan tương hỗ của hai chất lỏng có thể thay đổi nhờ sử dụng một chất lỏng thứ ba (benzen, nước, ancol) và cân bằng nhận được có thể nhạy cảm với nhiệt độ. Về nguyên tắc khi thêm một chất lỏng trộn lẫn trong thành phần của hỗn hợp ban đầu làm giảm vùng phân lớp cho đến khi biến mất, ngược lại, khi thêm một chất lỏng tan nhiều trong một trong số các hợp phần của hỗn hợp sẽ hạn chế vùng trộn lẫn. Ví dụ khi sử dụng một chất thấm ướt (natri toluensunfonat) sẽ làm tăng vùng trộn lẫn của nước và pha hữu cơ, không vì thế mà tạo ra mixen.
Để nói đến điều kiện tốt kiểm tra một hệ bậc ba, trước tiên cần nghiên cứu tính chất của hệ bậc hai như nước/dầu, dầu/nhũ hóa, nhũ hóa/dầu.
Nếu chất nhũ hóa là hiđrophin, nó tan trong nước, nếu là hiđrophob, nó tan trong dầu.
Nếu hệ bậc hai nước/ nhũ hóa có một nhiệt độ tới hạn của sự hòa tan (trường hợp tác nhân không ionic) giản đồ pha có thể biểu diễn
Nhiệt độ tới hạn của sự hòa tan chất hoạt động bề mặt trong dầu Tchs và nhiệt độ tới hạn của sự hòa tan chất hoạt động bề mặt trong nước TcEs phụ thuộc vào nồng độ hợp phần được kiểm tra trong môi trường.
Phụ thuộc vào nhiệt độ, chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80 không ionic hòa tan trong nước ở dưới điểm đục (TCD), còn hòa tan trong dầu ở trên điểm đục ( hình 5.8 ).
Hình 5.8. Giản đồ pha của hai chất lỏng không trộn lẫn nhau ở nhiệt độ tới hạn của chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80 không ionic.
Tính chất của hệ vi nhũ tương
Hình dạng.
Theo độ mịn của các hạt phân tán, vi nhũ tương biểu hiện ra dưới dạng chất lỏng màu xanh (F 100nm), hay trong suốt (F 50nm) có tính chất đặc biệt đối với sự phản xạ ánh sáng.
Hiệu ứng Tyndall.
Khi chiếu một chùm ánh sáng vào một bình đựng vi nhũ tương, một phần ánh sáng bị hấp thụ và một phần bị khuếch tán ra mọi hướng xung quang.
Ánh sáng khuếch tán nhận được có màu xanh và tím nhiều hơn màu vàng và đỏ, chính màu xanh đó biểu hiện độ phân tán của vi nhũ tương.
Tính dẫn điện.
Tính dẫn điện của vi nhũ tương thường thay đổi theo loại của nó. Tính dẫn điện tăng lên theo thể tích nước trong hệ.
Sự thấm tách (percolation).
Sự thấm tách là sự chuyển hóa từ pha ưa nước sang dạng kết tụ kị nước của nhũ tương. Hệ số tự khuếch tán của nước và các thành phần khác trong hệ tăng lên, không tách biệt hoàn toàn giữa vùng ưa nước và kị nước, lớp giới hạn mềm dẻo và dễ biến dạng.
Vắng mặt sự thấm tách, độ dẫn điện giảm, đó là trường hợp cấu tạo tĩnh với hạt nhân nước có giới hạn xác định. Hệ số tự khuếch tán của nước yếu cho một sự phân tách hoàn toàn trong vùng ưa nước và kị nước.
Độ nhớt.
Độ nhớt xuất hiện trong vi nhũ tương rất khác nhau. Độ nhớt là hàm số của giá trị giới hạn của sự thấm tách nhưng không phải là mối liên hệ trực tiếp giá trị này với độ nhớt bên trong.
Cần thấy rằng trong hệ vi nhũ tương kích thước của các giọt là hàm số của nồng độ của chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80 và chất hỗ trợ chất hoạt động bề mặt, tỷ lệ chất nhũ hóa càng nhiều thì sự đồng nhũ hóa càng tăng, kích thước các giọt càng giảm.
Năng lượng bề mặt.
Vi nhũ tương thể hiện ra ở các giọt, kích thước của chúng nhỏ hơn hàng trăm lần kích thước giọt nhũ tương. Kích thước của chúng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Sự hình thành vi nhũ tương diện tích mặt các hạt tăng lên nhiều.
Ví dụ khi đổ 1 cm3 dầu vào 1 cm3 nước thì mặt tiếp giáp giữa hai tướng dầu-nước là cm2. Nếu tạo nhũ tương, kích thước giọt là micron thì bề mặt tiếp giáp giọt là m2, nếu tạo vi nhũ tương các giọt có kích thước milimicron thì bề mặt tiếp giáp giữa các giọt tính là hecta.
Về mặt năng lượng mà xét thấy rằng năng lượng cung cấp cho sự nhũ hóa 1cm3 trong 1 cm3 nước để tạo ra nhũ tương có diện tích bề mặt tiếp giáp là 1m2 là mười ngàn lần lớn hơn năng lượng ban đầu, còn để tạo ra một vi nhũ tương có bề mặt tiếp giáp giữa các giọt là hecta thì năng lượng gấp một triệu lần năng lượng ban đầu.