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Emulsioni
Introduzione
Le emulsioni sono ampiamente utilizzate in molte applicazioni, delle quali vale la pena ricordare le seguenti:
- alimentare: le emulsioni sono di gran lunga le più utilizzate in sistemi come maionese, creme per insalata, bevande, ecc .;
- prodotti cosmetici e per la cura personale, come creme per le mani, lozioni, creme solari, spray per capelli, ecc.;
- farmaceutico;
- agrochimico: per la formulazione di numerosi erbicidi, insetticidi, regolatori della crescita delle piante, ecc .;
- industriale e costruzioni: oli per laminazione, lubrificanti, adesivi, trattamenti, rivestimenti.
- beni di consumo: detergenti, lucidanti, colle ecc.
Di seguito diamo una descrizione della natura delle emulsioni.
La natura chimica delle emlsioni
Le emulsioni sono una classe di sistemi di dispersione costituita da due liquidi immiscibili. Le goccioline liquide (la fase dispersa) sono disperse in un mezzo liquido (la fase continua). È possibile distinguere diverse classi: olio in acqua (O/A), acqua in olio (A/O) e olio in olio (O/O).
Quest’ultima classe può essere esemplificata da un’emulsione costituita da un olio polare (ad esempio glicole propilenico) disperso in un olio non polare (olio di paraffina) e viceversa.
Per disperdere due liquidi immiscibili è necessario un terzo componente, il tensioattivo o l’emulsionante. La scelta del tensioattivo è fondamentale per la formattazione dell’emulsione e la sua stabilità a lungo termine.
Scelta del tensioattivo (emulsionante)
Numerosi tensioattivi e le loro miscele vengono utilizzati per la preparazione e la stabilizzazione di emulsioni olio in acqua (O/A) e acqua in olio (A/O). Di seguito è riportato un riepilogo dei tensioattivi più comunemente usati.
I tensioattivi cationici più comuni sono i composti di ammonio quaternario con la formula generale RN+X-, dove N+ è il catione di ammonio, R rappresenta i gruppi alchilici e il contro-ione X- è di solito Cl-. Questi quaternari sono prodotti facendo reagire un’ammina terziaria appropriata con un alogenuro organico o solfato organico. Un’altra classe di cationici sono quelli a base di sali di piridinio come il lauril piridinio cloruro.
Numerosi altri tensioattivi anionici sono disponibili in commercio, come solfosuccinati, isetionati (esteri dell’acido isotionico con la formula generale RCOOCH2−CH2−SO3Na) e taurati (derivati della metil taurina con la formula generale RCONR’CH2−CH2−SO3Na) , sarchosinati (con la formula generale RCONR’COO Na), e questi sono talvolta usati per applicazioni speciali.
I tensioattivi non ionici più comuni sono quelli a base di ossido di etilene, indicati come tensioattivi etossilati. Si possono distinguere diverse classi: etossilati di alcol, etossilati di alchil fenolo, etossilati di acidi grassi, etossilati di monoalfaolamide, etossilati di esteri di sorbitano, etossilati di ammina grassa e ossidi di ossido di etilene-ossido di propilene (a volte indicati come tensioattivi polimerici). Un’altra importante classe di non ionici sono i prodotti multiidrossi come esteri di glicole, esteri di glicerolo (e poliglicerolo), glucosidi (e poliglucosidi) e esteri di saccarosio. Gli ossidi di ammina e i tensioattivi sulfinilici rappresentano non ionici con un piccolo gruppo di testa.
Questi sono tensioattivi contenenti gruppi sia cationici che anionici. Gli anfoterici più comuni sono le betaline N-alchiliche, che sono derivati della trimetil glicinaCH3)3NCH2COOH (descritta come betaina). Un esempio di tensioattivo betaina è lauril ammido propil dimetil betaina C12H25CON(CH3)2CH2COOH. Queste alchil betaine sono talvolta descritte come alchil dimetil glicinati. Le caratteristiche principali dei tensioattivi anfoteri è la loro dipendenza dal pH della soluzione in cui vengono disciolti.
These are surfactants containing both cationic and anionic groups. The most common amphoterics are the N-alkyl betaines, which are derivatives of trimethyl glycine (CH3)3NCH2COOH (described as betaine). An example of betaine surfactant is lauryl amido propyl dimethyl betaine C12H25CON(CH3)2CH2COOH. These alkyl betaines are sometimes described as alkyl dimethyl glycinates. The main characteristics of amphoteric surfactants is their dependence on the pH of the solution in which they are dissolved.
Il tipo più semplice di un tensioattivo polimerico è un omopolimero, che è formato dalle stesse unità ripetitive, come poli (ossido di etilene) o poli (vinil pirrolidone). Questi omopolimeri hanno poca attività superficiale all’interfaccia O/A, poiché i segmenti di omopolimero (ossido di etilene o vinilpirrolidone) sono altamente solubili in acqua e hanno poca affinità con l’interfaccia oleosa. Chiaramente, gli omopolimeri non sono gli emulsionanti più adatti. Una piccola variante è quella di utilizzare polimeri che contengono gruppi specifici che hanno un’elevata affinità con la superficie. Questo è esemplificato dal poli (vinil acetato) parzialmente idrolizzato (PVAc), tecnicamente indicato come poli (vinil alcol) (PVA). Queste molecole di PVA parzialmente idrolizzate presentano attività superficiale all’interfaccia O/A.
La natura chimica dei tensioattivi polimerici è importante per la scelta dei tensioattivi. Questo è illustrato nella terza immagine, che mostra che un emulsionante con catena alchidica insatura come l’oleato (monooleato di sorbitano etossilato) è più adatto per emulsionare un olio insaturo. Un emulsionante con catena alchilica satura (stearato) è migliore per emulsionare un olio saturo.
Miscele di tensioattivi, ad es. ionici e non ionici, o miscele di tensioattivi non ionici, possono essere più efficaci nell’emulsificazione e nella stabilizzazione dell’emulsione. Polimeri non ionici, a volte indicati come tensioattivi polimerici, ad es. i pluronici o PEO-PPO-PEO, sono più efficaci nella stabilizzazione dell’emulsione, ma possono soffrire della difficoltà dell’emulsificazione (per produrre piccole goccioline) a meno che non venga applicata alta energia per il processo. I polielettroliti come il poli (acido metacrilico) possono anche essere applicati come emulsionanti. Miscele di polimeri e tensioattivi sono ideali per ottenere facilità di emulsificazione e stabilizzazione dell’emulsione. Le fasi cristalline liquide lamellari che possono essere prodotte usando miscele di tensioattivi sono molto efficaci nella stabilizzazione dell’emulsione. Le particelle solide che possono accumularsi all’interfaccia O/A possono anche essere utilizzate per la stabilizzazione dell’emulsione. Queste sono chiamate emulsioni di Pickering, per cui le particelle vengono in parte bagnate dalla fase oleosa e in parte dalla fase acquosa.
Classificazione delle emulsioni
Macroemulsioni O/W e W/O: di solito hanno un intervallo di dimensioni di 0,1-5 μm con una media di 1-2 μm. Questi sistemi sono generalmente opachi o lattiginosi a causa delle grandi dimensioni delle goccioline e della differenza significativa nell’indice di rifrazione tra le fasi olio e acqua.
Nano-emulsioni: di solito hanno una gamma di dimensioni 20-100 nm. Come le macroemulsioni, sono solo cineticamente stabili. Possono essere trasparenti, traslucidi o opachi, a seconda della dimensione della goccia, della differenza dell’indice di rifrazione tra le due fasi e della frazione di volume della fase dispersa.
Emulsioni doppie e multiple: si tratta di emulsioni di emulsioni, W/O/W e sistemi O/W/O. Di solito vengono preparati utilizzando un processo a due fasi. Ad esempio un’emulsione multipla W/O/W viene preparata formando un’emulsione W/O, che viene poi emulsionata in acqua per formare l’emulsione multipla finale.
Emulsioni miste: si tratta di sistemi composti da due goccioline disperse che non si mescolano in un mezzo continuo.
Emulsioni micellari: di solito hanno dimensioni che vanno da 5 a 50 nm. Sono termodinamicamente stabili e in senso stretto non dovrebbero essere descritti come emulsioni. Una descrizione migliore è “micelle gonfie” o “sistemi micellari”.
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