Способ получения стабилизированной эмульгаторами эмульсии типа масло - вода

Способ получения стабилизированной эмульгаторами эмульсии типа масло - вода

Реферат

 

Использование: в области получения эмульсий органических веществ, типа масло - вода для производства мазей, кремов, латексов и т.д. Сущность изобретения: перемешивают водную и масляную фазы с получением высококонцентрированной эмульсии с объемным содержанием дисперсной фазы более коэффициента максимальной упаковки шаров - более 0,74%, а затем разбавляют полученную эмульсию водой до содержания дисперсной фазы ниже коэффициента максимальной упаковки шаров, предпочтительно ниже 0,66. Капли дисперсной фазы имеют размеры менее 0,5-1 мкм. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области получения эмульсий органических веществ (масло) в воде (эмульсии типа масло в воде М/в).

Данный способ может быть использован в ряде отраслей промышленности, например в химической промышленности в производстве латексов, в фармацевтической промышленности в производстве мазей и кремов и др.

Практически все известные способы изготовления эмульсий типа М/в состоят в диспергировании масляной фазы в воде в присутствии поверхностно-активных веществ эмульгаторов.

Для получения высокоустойчивых эмульсий, не разрушающихся при отстаивании в течение достаточно длительного промежутка времени, измеряемого, по крайней мере, часами и сутками, необходимо, чтобы капли дисперсной фазы имели размеры менее 0,5-1 мкм. В противном случае наступает быстрое разделение фаз эмульсии вследствие разности плотностей с последующей коалесценцией дисперсной фазы. Достаточно высокая степень дисперсности достигается обычно использованием высокоинтенсивных способов диспергирования с помощью гомогенизаторов, облучения ультразвуком и др. Наиболее близкий описан в книге С.С. Воюцкого. Курс коллоидной химии, М. Химия, 1975, с. 317-380.

Применение этого метода связано с использованием дорогостоящего оборудования и требует больших затрат энергии и часто не дает воспроизводимых результатов.

Широкое распространение нашли способы приготовления эмульсий путем перемешивания масляной и водной фаз, не требующих сложного оборудования и высоких энергозатрат. Однако при этом вследствие недостаточной степени диспергирования обычно получаются неустойчивые эмульсии с размером капель дисперсной фазы более 10 мкм (Э.А. Васильцов, В.Г. Ушаков. Аппараты для перемешивания сред. Л. 1979, с. 8 прототип).

Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, состоит в создании способа изготовления устойчивых эмульсий типа М/в с высокой степенью диспергирования масляной фазы путем перемешивания фаз. Поставленная задача решается тем, что эмульсию готовят в две стадии: сначала получают высококонцентрированную (гелеобразную) эмульсию (ВКЭ) с объемным содержанием дисперсной фазы (в долях единицы), превышающим коэффициент максимальной установки шаров равный 0,74. Затем разбавляют полученную ВКЭ водой при умеренном перемешивания до объемного содержания масляной фазы менее 0,74.

Способ получения ВКЭ описан, например, в K.J. Lisont, J.Coll. Sci, v 22, р. 462-468. Он состоит в постепенном прибавлении к концентрированному водному раствору эмульгатора (10-35 мас.) органической фазы при механическом перемешивании до достижения объемного соотношения органической и водной фаз более 2,9: 1 (содержание масляной фазы >0,74). Эффективное дробление капель происходит именно при содержании масляной фазы более 0,74.

Мы обнаружили, что при последующем разбавлении полученной ВКЭ водой образуется эмульсия с размером капель дисперсной фазы менее 0,5 мкм.

Получаемые эмульсии весьма устойчивы. Коалесценции органической фазы не наблюдается в течение нескольких недель. В некоторых случаях при отстаивании в течение нескольких часов наблюдается частичное расслоение (сливкообразование). Однако при незначительном перемешивании или встряхивании однородность эмульсий восстанавливается.

Причины, объясняющие достижении высокой степени дисперсности органической фазы по предлагаемому способу, до настоящего времени не установлены. По-видимому, усиление диспергирования капель при перемешивании фаз при содержании органической фазы, большем коэффициента максимальной упаковки шаров (более 0,74), происходит вследствие того, что капли, как это следует из геометрических соображений, не могут при такой концентрации существовать в шарообразной форме и начинают по мере превышения содержания 0,74 приобретать форму, переходную между сферической и полиэдрической. Вследствие этого поверхностное натяжение на разных участках капли становится не одинаковым, что облегчает механическое диспергирование. Высокая концентрация эмульгатора в водной фазе, используемая при приготовлении ВКЭ, обеспечивает адсорбцию эмульгатора на образующейся при диспергировании капель поверхности и тем самым способствует предотвращению слияния капель.

Согласно современным представлениям, ВКЭ можно представить как систему, состоящую из "ячеек", заполненных дисперсной фазой, и "перегородок" между "ячейками", состоящими из дисперсионной среды. При высоком содержании дисперсной фазы от (0,74 до 0,99) толщина "перегородок" во много раз меньше размера "ячейки". При разбавлении водой ВКЭ переходит в "обычную" эмульсию, причем объем капель дисперсной фазы соответсвует объему "ячеек" ВКЭ.

Таким образом ВКЭ позволяет достичь степени диспергирования фазы.

Однако полученные ВКЭ обладают относительно низкой устойчивостью во времени и в течение непродолжительного времени, особенно при повышенной температуре, распадаются с выделением органической фазы. Кроме того, ВКЭ отличаются чрезвычайно высокой вязкостью, что делает их непригодными для указанного применения. Последующее разбавление ВКЭ водой до концентрации дисперсной фазы ниже максимального коэффициента упаковки шаров (предпочтительно ниже 66% ) приводит к сохранению высокой степени дисперсности органической фазы, достигнутой при получении ВКЭ с одновременным повышением устойчивости эмульсии и понижением ее вязкости на несколько порядков.

Для осуществления процесса получения эмульсий по заявляемому способу требуются широко распространенные стандартные перемешивающие устройства, что выгодно отличает заявляемый способ от известных в настоящее время способов получения высокодисперсных эмульсий с применением гомогенизаторов, звуковых генераторов и другого сложного и дорогостоящего оборудования и дающих менее воспроизводимые результаты по свойствам эмульсий.

Пример 1. В стеклянный реактор объемом 250 мл помещали 5 мл 20%-ного водного раствора E-30 (алкилсульфонаты натрия C₁₂-C₁₅) и добавляли 50 мл стирола в течение 20 мин при перемешивании лопастной мешалкой со скоростью 500 об/мин. После окончания приливания стирола образовалась ВКЭ с соотношением масляной и водной фаз 10:1. Полученную ВКЭ перемешивали в течение 15 мин и затем добавляли при перемешивании 140 мл воды. Получили 25%-ную (по объему) эмульсию стирола. Эмульсия не отстаивалась в течение 10 сут. Коалесценции не наблюдалось в течение 30 сут. Размер капель дисперсной фазы, определенный методом светорассеяния, составлял 60 нм.

Пример 2. Аналогично примеру 1, но в качестве водной фазы использовали 15% -ный водный раствор лаурилсульфата натрия. Коалесценция не наблюдалась в течение 30 сут. Через 24 ч отстаивания эмульсии наблюдалось образование "сливок". При встряхивании восстанавливалась однородная эмульсия. Размер капель дисперсной фазы, определенный методом светорассеяния, составлял 77 нм.

Пример 3. В реактор объемом 250 мл помещали 5 мл 33%-ного водного раствора эмульгатора ОП-7 и прибавляли при перемешивании в течение 30 мин 35 мл бутилацетата. Образовалась гелеобразная ВКЭ. К полученной ВКЭ добавляли при перемешивании 47,5 мл воды. Получена 40%-ная (по объему) эмульсия бутилацетата в воде, не отстаивавшаяся в течение 30 сут.

Пример 4. Аналогично 1, но в качестве водяной фазы использовали 15%-ный водный раствор лаурата калия, а в качестве масляной фазы гептан. Получена 25% -ная эмульсия гептана. Коалесценция не наблюдалась в течение 30 сут. Через 24 ч отстаивания имело место "сливкообразование". При перемешивании в течение 1 мин восстановилась однородная эмульсия.

Пример 5. Аналогично 1, но в качестве масляной фазы использовали толуол. Полученная 25% -ная эмульсия толуола не расслаивалась в течение 5 сут. коалесценция не наблюдалась в течение 30 сут.

Пример 6 (отрицательный). Аналогично 1, к 10 мл 20%-ного водного раствора эмульгатора E-30 прибавляли 20 мл стирола (что составляет 66 об. к смеси). Гелеобразная высококонцентрированная эмульсия не образовалась. После прекращения перемешивания эмульсия расслоилась в течение нескольких минут с последующей коалесценцией за время менее 1 ч.

Пример 7 (отрицательный). Аналогично 6, но полученную эмульсию сразу же после прибавления стирола разбавляли при перемешивании 70 мл воды до содержания стирола 20 об. Полученная эмульсия расслоилась практически сразу после прекращения перемешивания. Расслоение сопровождалось коалесценцией капель стирола.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получать высокодисперсные устойчивые эмульсии типа М/в, отличающиеся высокой седиментационной устойчивостью.

Формула изобретения

1. Способ получения стабилизированной эмульгаторами эмульсии типа масло вода, включающий перемешивание водной и масляной фаз, отличающийся тем, что осуществляют перемешивание для получения высококонцентрированной эмульсии с объемным содержанием дисперсной фазы более коэффициента максимальной упаковки шаров более 0,74, с последующим разбавлением полученной высококонцентрированной эмульсии водой до содержания дисперсной фазы менее коэффициента максимальной упаковки шаров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разбавление высококонцентрированной эмульсии осуществляют до содержания дисперсной фазы менее 0,66.