Материалы, получаемые из эмульсий и пен, стабилизированных твердыми коллоидами

MATERIALS PRODUCED FROM EMULSIONS AND FOAMS STABILIZED BY SOLID COLLOIDS
Цитировать:
Нуштаева А.В. Материалы, получаемые из эмульсий и пен, стабилизированных твердыми коллоидами // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2017. № 4 (34). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/4476 (дата обращения: 25.10.2020).
Прочитать статью:
Keywords: solid particles, emulsions, foams, colloids

АННОТАЦИЯ

Твердые коллоидные частицы обладают способностью к самоорганизации на межфазной поверхности вода-масло и вода-воздух. Чрезвычайно высокая устойчивость и особые реологические свойства эмульсий и пен, стабилизированных твердыми частицами, открывают перспективы их использования в качестве прекурсора для получения пористых материалов и микрокапсул.

ABSTRACT

Solid colloidal particles are capable to self-organize at the interface of oil-water or water-air. Extremely high stability and the specific rheological properties of emulsions and foams stabilized by solid particles open up perspectives of the application as a precursor for the preparation of porous materials and microcapsules.

 

Эмульсии Пикеринга (стабилизированные твердыми частицами) и подобные им пены обладают особыми свойствами, например, чрезвычайно высокой устойчивостью против коалесценции и необычным реологическим поведением, которое связано с жесткостью и упругостью адсорбционных слоев твердых частиц [3, 6]. В качестве твердых стабилизаторов широко применяются неорганические кремнезем SiO2, оксиды Al2O3, TiO2, ZnO, гидроксиды  и соли, часто модифицированные адсорбцией органических молекул; полимерные и натуральные частицы (глины, крахмал, яичный порошок). Твердые стабилизаторы содержатся в пищевых эмульсиях (кристаллы жира), в фармацевтических и косметических препаратах (SiO2, Al2O3 и Al(OH)3 в дезодорантах, антиперспирантах, скрабах; TiO2, ZnO в солнцезащитных кремах). Битумные эмульсии и мастики на твердых эмульгаторах широко применяются в дорожном строительстве. Стабилизаторами в них являются частички глины, цемента, оксиды Al2O3, SiO2, карбонаты и сульфаты (CaCO3, BaSO4), асфальтены в условиях пересыщения раствора [13]. Твердые эмульгаторы применяют в основном при изготовлении битумных паст и реже – дорожных эмульсий. Преимуществами твердых стабилизаторов (помимо повышенной устойчивости эмульсий) являются их биоразлагаемость, экологичность и низкая токсичность по сравнению с синтетическими ПАВ. Твердые частицы получают из не дорогого и доступного сырья.

Кроме того, что такие эмульсии и пены Пикеринга применяются сами по себе, способность твердых частиц к самоорганизации на межфазной поверхности открывает перспективы их использования для различных технологий. Например, они являются прекурсором для получения других материалов.

Пористые материалы. Эмульсии с твердыми стабилизаторами способны сохранять структуру, состоящую из межфазных слоев частиц, даже после высушивания [3, 8]. Прямые эмульсии м/в, стабилизированные коллоидным кремнеземом, модифицированным n-октилтриэтоксиланом [3] или гексиламином [8], после высушивания приобретали консистенцию плотного геля. И них  испарялась только водная дисперсионная среда, а органическая фаза сохранялась внутри капель.  В случае обратной эмульсии в/м из гексиламин-модифицированного кремнезема испарялись обе фазы. В результате высушивания эмульсии в/м (декан), стабилизированной  5 % (масс.) аэросилом А-380, модифицированным 0,5 М гексиламином, получался материал, состоящий из макроскопических воздушных капсул с твердой микропористой оболочкой [8].

Из пен, стабилизированных полимерными частицами, можно получать пористые полимеры (в случае труднообрабатываемых полимеров) с заданными параметрами, варьируя размер, концентрацию и смачиваемость частиц [12]. Из эмульсий и пен, стабилизированных металлическими коллоидами, получают, так называемые, «металлические пены» [11]. Метод получения включает стадии вспенивания (или эмульгирования), сушки и спекания.

Капсулы. Капли, стабилизированные коллоидами, можно использовать для включения липофильных компонентов (в капли прямых эмульсий м/в) или,  наоборот, гидрофильных (в капли обратных эмульсий в/м) и  для доставки веществ, например, фармацевтических препаратов. Из эмульсионных капель, стабилизированных твердыми частицами, получают микрометрические полые кластеры (коллоидные кристаллы) [4, 7]. Например, методом высушивания (или центрифугирования) и последующего спекания при температуре большей, чем температура стеклования материала твердых частиц [4]. Граница вода-масло используется для создания коллоидных кристаллов реже, чем, граница вода-воздух. Однако упорядочение частиц на поверхности вода-масло является более стабильным, так как заряд поверхности твердых частиц оказывается выше в системе вода-масло, чем в системе вода-воздух [4]. Различные сферические системы упорядоченных плотноупакованных частиц называют коллоидосомами [4, 7]: это и полые кластеры, и сферические капли жидкости в другой жидкости с адсорбционным монослоем коллоидных частиц. Коллоидосомы предлагается использовать для транспорта лекарств, которые помещают либо в полую капсулу, либо в каплю жидкости. Например, эмульсии в/м, стабилизированные кремнеземом (модификатор – 8-гидроксихинолин), использовали для инкапсулирования ингибитора коррозии с целью последующего нанесения в качестве активного покрытия [5].

Частицы крахмала использовали в [9] для стабилизации прямых эмульсий Пикеринга. В одном случае поверхность гидрофильного крахмала модифицировали октенилмалеиновым ангидридом. В другом случае применяли не модифицированные микрогранулы (0,5-2,5 мкм в диаметре) крахмала, выделенного из зерен лебеды Chenopodium quinoa. Эмульсии, полученные смешиванием жидких фаз (с объемной долей масла 0,07-0,1) и крахмала (75-600 мг/мл масла), подвергали термической обработке на водяной бане при температуре 45-100°С  для набухания и желатинирования межфазных слоев [9]. Гелеобразование на поверхности капель создавало дополнительный барьер против коалесценции. Продемонстрировано, что такие капли можно использовать для инкапсулирования липофильных веществ.

Одним из перспективных направлений применения твердых эмульгаторов является извлечение углеводородов [10] или очистка воды от органических загрязнений [1, 2]. Пористый адсорбент получали на основе аэросила SiO2, модифицированного гексиламином [2].  В [1] использовался аэросил, обработанный 2,4,6,8-октаметилциклотетрасилоксаном или гексаметилдисилазаном, для очистки воды от нефти методом эмульгирования. Недостатком предложенных  методов (с точки зрения очистки водоемов) является применение токсичного ПАВ-модификатора. Подобным образом можно применять нетоксичные природные или синтетические частицы, способные без ПАВ закрепляться на поверхности вода-масло (например, глины), с последующим эмульгированием (механическим или ультразвуковым). Параллельно будет протекать извлечение различных растворенных в воде веществ на поверхности частиц глины, которые сами по себе являются хорошими природными адсорбентами.


Список литературы:
  1. Способ очистки воды от углеводородов, сорбент для очистки воды от углеводородов и способ его получения // Патент РФ №:2042635, 1995 / Чукин Г.Д., Дукельский Г.Я., Кильдяшев В.М. [и др.].
  2. Способ получения сорбента для удаления углеводородной пленки с поверхности воды // Патент РФ №:2496573, 2013 / Вилкова Н.Г., Еланева С.И.
  3. Arditty S., Schmitt V., Giermanska-Kahn J., Leal-Calderon F. Materials based on solid-stabilized emulsions // J. Colloid Interface Sci. – 2004. – V.275. – P.659-664.
  4. Dinsmore A.D., Hsu M.F., Nicolaides M.G., Marquez M., Bausch A.R., Weitz D.A. Colloidosomes: selectively permeable capsules composed of colloidal particles // Science. – 2002. – V.298. – P.1006-1009.
  5. Haase M.F., Grigoriev D., Moehwald H., Tiersch B., Shehukin D.G. Encapsulation of Amphoteric Substances in a pH-Sensitive Pickering Emulsion // J. Phys. Chem. C. – 2010. –V.114 (41). – P.17304-17310.
  6. Horozov T.S. Foams and foam films stabilized by solid particles // Current Opinion in Colloid & Interface Sci. – 2008. – V.13. – P.134-140.
  7. Mao Zh., Xu H, Wang D. Molecular mimetric self-assembly of colloidal particles //Advanced Functional Materials, V.20, №7, 2010, P. 1053-1074.
  8. Nushtaeva A.V. Superstabilization of emulsions by solid particles // Colloids and Surfaces. A: Physicochem. Eng. Aspects. – 2015. - V.481. - P.283-287.
  9. Sjöö M., Emek S.C., Hall T., Rayner M., Wahlgren M. Barrier properties of heat treated starch Pickering emulsions // J. Colloid Interface Sci. – 2015. - V.450. - P.182-188
  10. Solids-stabilized oil-in-water emulsion and a method for preparing same // Patent No.:US 6,988,550 B2, 2006 / J. R. Bragg, R. Varadaraj.
  11. Studart A.R., Nelson A., Iwanovsky B., Kotyrba M., Kündig A.A., Dalla Torre F.H., Gonzenbach U.T., Gauckler L.J., Löffler J.F. Metallic foams from nanoparticle-stabilized wet foams and emulsions // J. Mater. Chem. – 2010. – V.22. – P.820-823.
  12. Wong J.C.H., Tervoort E., Busato S., Gonzenbach U.R., Studart A.R., Ermanni P., Gauckler L.J. Designing macroporous polymers from particle-stabilized foams // J. Mater. Chem. – 2010. - V.20. - P.5628-5640.
  13. Yan N., Gray M.R., Masliyah J.H. On water-in-oil emulsions stabilized by fine solids // Colloids and Surfaces. A: Physicochem. Eng. Aspects. – 2001. – V. 193. – P. 97-107.
Информация об авторах

канд. хим. наук, доцент, кафедра физики и химии, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия

associate professor, Department of physics and chemistry, Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top