באופן כללי, פאזה אחת של אמולסיה היא מים או תמיסה מימית, הנקראת פאזה מימית; הפאזה השנייה היא פאזה אורגנית שאינה מתערבבת עם מים, המכונה פאזה שמן.

1. סיווג

שלוש שיטות סיווג:

1. מסווג לפי מקור: מוצרים טבעיים ומוצרים סינתטיים;

2. מסווג לפי משקל מולקולרי: מתחלבים בעלי משקל מולקולרי נמוך (c10-c20) ומתחלבים בעלי משקל מולקולרי גבוה (c אלפים);

3. בהתאם ליכולתו ליינן בתמיסה מימית, ניתן לחלק אותו לסוג יוני (אניונים, קטיונים, ואניונים וקטיונים) וסוג לא יוני.

זוהי שיטת הסיווג הנפוצה ביותר.

 

2. הפונקציה והעיקרון של מתחלבים

התפקיד העיקרי של מתחלבים הוא להפחית את מתח הפנים של שני הנוזלים שעוברים אמולסיה. לכן, כאשר משתמשים בחומרים פעילי שטח כמתחלבים, קצה אחד של הקבוצה ההידרופובית שלהם נספג על פני השטח של חלקיקי נוזל בלתי מסיסים (כגון שמן), בעוד שהקבוצה ההידרופילית משתרעת לכיוון המים. חומרים פעילי שטח מסודרים בצורה כיוונית על פני חלקיקי הנוזל ליצירת סרט ספיחה הידרופילי (סרט בין-פני), על מנת להפחית את המשיכה ההדדית בין הטיפות, להפחית את מתח הפנים בין שתי הפאזות ולקדם פיזור הדדי ליצירת אמולסיות.

לריכוז החומר הפעיל שטח יש השפעה ישירה על חוזק מסכת הפנים הבין-פנימית. בריכוז גבוה, מולקולות רבות של חומר פעיל שטח נספחות על פני השטח, ויוצרות מסכת פנים צפופה וחזקה.

לחומרים מתחלבים שונים יש אפקטים שונים של אמולסיפיקציה, וגם הכמות הנדרשת להשגת אפקט האמולסיפיקציה האופטימלי משתנה. באופן כללי, ככל שהכוח המולקולרי של האמולסיפייר היוצר את מסכת הפנים הגבולית גדול יותר, כך חוזק הסרט גבוה יותר והתחליב יציב יותר; להיפך, ככל שהכוח קטן יותר, כך חוזק הסרט נמוך יותר והתחליב לא יציב יותר.

כאשר ישנן מולקולות אורגניות קוטביות כגון אלכוהול שומני, חומצות שומן ואמינים שומניים במסכת הפנים, חוזק הממברנה משתפר משמעותית. הסיבה לכך היא שמולקולות מתחלב מקיימות אינטראקציה עם מולקולות קוטביות כגון אלכוהול, חומצה ואמין בשכבת הספיחה בממשק ויוצרות קומפלקס, מה שמגביר את חוזק מסכת הפנים בממשק.

מתחלב המורכב מיותר משני חומרים פעילי שטח הוא מתחלב מעורב. בשל האינטראקציה החזקה בין המולקולות, מתח הבין-פנים מצטמצם משמעותית, כמות המתחלב הנספגת בממשק גדלה משמעותית, וצפיפות וחוזק מסכת הפנים הבין-פנים שנוצרת גדלים.

במהלך היווצרות האמולסיה, מתח הבין-פנים בין שמן למים מצטמצם משמעותית עקב השתתפות חומרים פעילי שטח, והיא הופכת לאמולסיה יציבה. עם זאת, עדיין קיים מתח בין-פנים בין שמן למים באמולסיה שאינו יכול להגיע לאפס עקב מגבלות CMC או מסיסות. לכן, קרם הוא מערכת לא יציבה תרמודינמית.

מתח הבין-פנים בין שמן למים במיקרו-אמולסיה נמוך כל כך שלא ניתן למדוד אותו. זוהי מערכת יציבה תרמודינמית. הדבר מושג בעיקר על ידי הוספת סוג שני של חומר פעיל שטח בעל תכונות שונות לחלוטין (כגון אלכוהולים בגודל בינוני כמו פנטנול, הקסנול והפטנול, המכונים חומרים פעילי שטח משותפים), מה שיכול להפחית עוד יותר את מתח הבין-פנים לרמה קטנה מאוד, ואף לגרום לערכים שליליים מיידיים. ניתן להסביר זאת על ידי משוואת הספיחה של גיבס עבור מערכות מרובות רכיבים.

 

3. סוג האמולסיה

סוּג

אמולסיה נפוצה, פאזה אחת היא מים או תמיסה מימית, והשנייה היא חומר אורגני שאינו מסיס במים, כגון שומן, שעווה וכו'. אמולסיה שנוצרת על ידי מים ושמן ניתנת לחלוקה לשלושה סוגים:

(א) סוג שמן במים (O'W)
(ה) חלב מעורב (W/O/W)
(ב) סוג שמן במים (W/O)

(1) אמולסיית שמן/מים (0/W), שמן מפוזר במים. שמן הוא פאזה מפוזרת (פאזה פנימית), ומים הם פאזה רציפה (פאזה חיצונית) של שמן במים, שניתן לדלל במים. כגון חלב, חלב סויה וכו'.

(2) אמולסיית מים/שמן (W/0), מים מפוזרים בשמן. מים הם פאזה מפוזרת (פאזה פנימית) ושמן הוא פאזה רציפה (פאזה חיצונית) של אמולסיית מים בשמן. ניתן לדלל סוג זה של אמולסיה בשמן. כגון חמאה מלאכותית, נפט גולמי וכו'.

(3) אמולסיות בצורת טבעת, הנוצרות על ידי פיזור לסירוגין של פאזות מים ושמן שכבה אחר שכבה, מגיעות בעיקר בשתי צורות: שמן במים ושמן בשמן 0/W/0 (כלומר פאזת מים עם טיפות שמן מפוזרות התלויות בפאזת שמן ומים בשמן ומים במים W/0/W (כלומר פאזת שמן עם טיפות מים מפוזרות התלויות בפאזת מים). סוג זה של אמולסיה הוא נדיר וקיים בדרך כלל בנפט גולמי.

 

שיטת בדיקת סוג האמולסיה

(1) שיטת דילול

יש לדלל את האמולסיה באותו הנוזל כמו הפאזה הרציפה. האמולסיה המסיסה במים היא מסוג שמן/מים, והאמולסיה המסיסה בשמן היא מסוג מים/שמן.
לדוגמה, חלב ניתן לדלל במים, אך לא ניתן לערבב אותו עם שמן צמחי. ניתן לראות שחלב הוא אמולסיית שמן/מים.

(2) שיטה מוליכה

המוליכות של מים ושמן שונה מאוד, והמוליכות של אמולסיית שמן/מים גדולה פי מאות מזו של מים/שמן. לכן, שתי אלקטרודות מוכנסות לאמולסיה וניאון מחובר בטור בלולאה, ונורת השמן/מים דולקת.

(3) שיטת צביעה

הוסיפו 2-3 טיפות של צבעים על בסיס שמן או מים לתוך מבחנה, ושפטו את סוג האמולסיה לפי איזה סוג צבע יכול לגרום לפאזה הרציפה להיות בצבע אחיד.

(4) שיטת הרטבת נייר סינון

טפטפו את הקרם על נייר הסינון. אם הנוזל יכול להתפשט במהירות ונותרת טיפה קטנה במרכז, הקרם הוא מסוג שמן במים; אם טיפות הקרם אינן מתפשטות, מדובר בקרם מסוג שמן במים.

(5) שיטת שבירה אופטית

מקדם השבירה השונה של מים ושמן לאור משמש לזיהוי סוג האמולסיה. אם האמולסיה היא שמן במים, החלקיקים ממלאים תפקיד של איסוף אור, וניתן לראות רק את קווי המתאר השמאליים של החלקיקים במיקרוסקופ; אם האמולסיה היא מים בשמן, החלקיקים ממלאים תפקיד של אסטיגמציה, וניתן לראות רק את קווי המתאר הימניים של החלקיקים במיקרוסקופ;

הגורמים העיקריים המשפיעים על סוג האמולסיה

(1) נפח פאזה:

תיאוריית נפח הפאזה הוצעה על ידי אוסטוואלד מנקודת מבט גיאומטרית. נקודת המבט היא שבהנחה שחרוזי הנוזל של קרם הגוף הם באותו גודל ונוקשים, חלק נפח הפאזה של חרוזי הנוזל יכול להוות רק 74.02% מהנפח הכולל כאשר הם דחוסים ביותר. אם המספר האינטגרלי של נפח הפאזה של חרוזי הנוזל גדול מ-74.02%, הקרם יעוות או יינזק.

(א) אמולסיה ארוגה עשירה בטיפות אחידות
(ב) אמולסיה לא אחידה של טיפות צפופות
(ג) טיפות נוזל לא כדוריות דורשות ערימה ואמולסיה (לא יציבות)

קחו לדוגמה את אמולסיית סוג O/W, אם מספר הפאזה האינטגרלי של שמן גדול מ-74.02%, אמולסיה יכולה ליצור רק סוג W/0, כאשר סוג O/i קטן מ-25.98%, וכאשר השבר הוא 25.98% -74.02%, היא עשויה ליצור סוג 0/W או W0.

 

מבנה מולקולרי ותכונות של מתחלבים - תורת הטריזים

תיאוריית הטריז מבוססת על המבנה המרחבי של מתחלבים כדי לקבוע את סוג האמולסיה. תיאוריית הטריז מציעה ששטחי החתך של קבוצות הידרופיליות והידרופוביות במתחלבים אינם שווים. מולקולות המתחלבים נתפסות כטריזים, כאשר קצה אחד גדול יותר והשני קטן יותר. ניתן להכניס את הקצה הקטן יותר של המתחלב אל פני השטח של הטיפה כמו טריז ולסדר אותו בצורה כיוונית בממשק שמן-מים. הקצה הקוטבי ההידרופילי משתרע אל תוך הפאזה המימית, בעוד ששרשרת הפחמימנים הליפופילית משתרעת אל תוך פאזה הנפטית, וכתוצאה מכך חוזק ממשק מוגבר.

 

השפעת חומר מתחלב על סוג האמולסיה

בנוסף להשפעת גורמים כגון חומרי הרכב האמולסיה ותנאי יצירת האמולסיה, גם לתנאים חיצוניים יש השפעה על סוג האמולסיה. לדוגמה, האופי ההידרופילי והליפופילי של דופן האמולסיה חזק, ואמולסיית O/W קלה להיווצר כאשר האופי ההידרופילי של דופן האמולסיה חזק, בעוד שאמולסיית W/0 קלה להיווצר כאשר האופי הליפופילי של דופן האמולסיה חזק. הסיבה לכך היא שהנוזל צריך לשמור על שכבת פאזה רציפה על הדופן, כך שלא יהיה קל לפזר אותו לחרוזי נוזל בעת ערבוב. זכוכית היא הידרופילית בעוד שפלסטיק הוא הידרופובי, כך שהראשון נוטה ליצור אמולסיות O/W בעוד שהשני נוטה ליצור אמולסיות W/0.

 

תורת מהירות הצבירה של שתי פאזות

תיאוריית מהירות ההתלכדות מתחילה מהשפעת מהירות ההתלכדות של שני סוגי הטיפות המרכיבות את האמולסיה על האמולסיה, וקובעת שמהירות ההתלכדות של שני סוגי הטיפות תלויה במהירות ההתלכדות של שני סוגי הטיפות כאשר האמולסיה, הכריש והקיל יחד מכסים את הדרישה.

 

טֶמפֶּרָטוּרָה

עלייה בטמפרטורה תוריד את דרגת ההידרציה של קבוצות הידרופיליות, ובכך תפחית את ההידרופיליות של המולקולות. לכן, אמולסיה 0/w שנוצרת בטמפרטורות נמוכות עשויה להפוך לאמולסיה W/0 לאחר חימום. טמפרטורת מעבר זו היא הטמפרטורה שבה התכונות ההידרופיליות והליפופיליות של החומר הפעיל שטח מגיעות לשיווי משקל מתאים, המכונה טמפרטורת מעבר פאזה PIT.

עם זאת, כאשר ריכוז החומר הממתחלב גדול מספיק כדי להתגבר על השפעת תכונת ההרטבה של חומר הממתחלב, סוג האמולסיה שנוצרת תלוי רק באופי הממתחלב עצמו ואין לו שום קשר להידרופיליות ולליפופיליות של דופן כלי הדם.