CC BY
86
№ 4 (34)
апрель, 2017 г.
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ИЗ ЭМУЛЬСИЙ И ПЕН, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ
ТВЕРДЫМИ КОЛЛОИДАМИ
Нуштаева Алла Владимировна
канд. хим. наук, доцент Пензенского государственного университета архитектуры и строительства,
440028, РФ, Пенза, ул. Германа Титова, 28 E-mail: nushtaeva. alla@yandex. ru
MATERIALS PRODUCED FROM EMULSIONS AND FOAMS STABILIZED
BY SOLID COLLOIDS
Alla Nushtaeva
candidate of chemical sciences, assistant professor, Penza State University of Architecture and Construction,
440028, Russia, Penza, German Titov str, 28
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.
Ключевые слова: твердые частицы, эмульсии, пены, коллоиды.
Keywords: solid particles, emulsions, foams, colloids.
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 ^Ю2, Al2Oз и Al(OH)з в дезодорантах, антиперспи-рантах, 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 А!^^ SiO2, карбонаты и сульфаты (СаС03, BaSO4), асфальтены в условиях пересыщения раствора [13]. Твердые эмульгаторы применяют в основном при изготовлении битумных паст и реже - дорожных эмульсий. Преимуществами твердых стабилизаторов (помимо повы-
шенной устойчивости эмульсий) являются их био-разлагаемость, 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 Пике-ринга 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 гексилами-ном [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 гекси-
Библиографическое описание: Нуштаева А.В. Материалы, получаемые из эмульсий и пен, стабилизированных твердыми коллоидами // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2017. № 4(34). URL: http://7universum. com/ru/nature/archive/item/44 76
№ 4 (34)
ламином, 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 липофиль-ных 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 плотноупакован-ных 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),
апрель, 2017 г.
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 Скепороёшш дитоа. 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]. Гелеобразо-вание 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 8Ю2, модифицированного гексила-мином [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. Sjoo 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
№ 4 (34)
anpe.b, 2017 r.
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.
