Устойчивость эмульсий определяется способностью системы сохранять дисперсное состояние компонентов без коагуляции, расслаивания или синерезиса на протяжении определённого времени. Она зависит от взаимодействий между каплями дисперсной фазы, характеристик среды и присутствия стабилизирующих веществ. Устойчивость эмульсий является ключевым параметром в пищевой, фармацевтической, косметической и химической промышленности.
1. Гравитационная сепарация. Эмульсии подвержены расслоению под действием силы тяжести. Более плотная фаза оседает (седиментация), а менее плотная поднимается (флотация). Скорость расслоения описывается законом Стокса:
$$ v = \frac{2 r^2 (\rho_d - \rho_c) g}{9 \eta} $$
где r — радиус капли, ρd и ρc — плотности дисперсной и дисперсионной фаз, g — ускорение свободного падения, η — вязкость среды.
2. Коагуляция и флокуляция. Коагуляция — необратимое слипание капель с образованием крупной фазы. Флокуляция — обратимое образование агрегатов под действием межкапельных сил. Основные факторы:
3. Коалесценция. Объединение капель с образованием более крупной дисперсной фазы без изменения числа капель изначально диспергированной фазы. Коалесценция ускоряется при тонком слое ПАВ или при высокой концентрации электролитов, экранирующих заряды капель.
4. Синерезис. Выделение жидкой фазы из геля или густой эмульсии под действием внутренних напряжений, капиллярных сил или осаждения твердых частиц. Синерезис особенно характерен для высококонцентрированных систем типа майонезов и кремов.
1. Размер и распределение капель. Мелкие капли образуют более стабильную эмульсию из-за увеличенной площади поверхности и более сильного действия ПАВ. Однородное распределение радиусов способствует равномерной устойчивости.
2. Состав и концентрация ПАВ. ПАВ снижают межфазное натяжение, создают электрический и стерический барьер. Полимерные ПАВ обеспечивают длительную стабилизацию за счёт формирования густой адсорбционной оболочки.
3. Электролиты. Ионы влияют на электрический заряд капель. Высокая концентрация электролитов может уменьшать электростатическую репульсию, ускоряя коагуляцию.
4. Вязкость дисперсионной среды. Повышенная вязкость замедляет движение капель, снижая скорость седиментации и флокуляции. В ряде случаев введение полимеров позволяет стабилизировать эмульсию без изменения ПАВ.
5. Температурный режим. Температура влияет на межфазное натяжение, вязкость среды и подвижность капель. Повышение температуры ускоряет коалесценцию и синерезис, в то время как понижение может вызывать кристаллизацию и выпадение осадка.
1. Использование эффективных ПАВ и их комбинаций. Подбор сочетания низкомолекулярных и полимерных ПАВ позволяет одновременно уменьшить межфазное натяжение и создать стерическую защиту.
2. Контроль размера капель. Гомогенизация и ультразвуковая обработка позволяют формировать мелкие и равномерные капли, что увеличивает стабильность.
3. Регулирование вязкости среды. Добавление загустителей, полисахаридов или полимеров повышает вязкость, замедляя расслоение.
4. Ионная регуляция. Контроль концентрации и природы электролитов позволяет поддерживать оптимальный электрический заряд капель, предотвращая коагуляцию.
5. Температурный контроль и хранение. Поддержание стабильной температуры предотвращает термодинамическое старение эмульсии и снижает риск коалесценции.
Устойчивость эмульсий является сложной функцией физических, химических и механических факторов. Управление этими параметрами позволяет создавать системы с заданными свойствами, что имеет фундаментальное значение для промышленного и лабораторного применения.