第十三章乳状液与泡沫

1、第十三章 乳状液与泡沫13.1 本章学习要求1掌握乳状液的特点、类型及类型的鉴别。2掌握乳化剂的作用，了解乳状液的类型理论。3了解乳状液的制备、转型与破坏。4掌握泡沫的特点及稳定性。5了解乳状液与泡沫在工业和日常生活中的应用13.2 内容概要13.2.1 乳状液的类型乳状液 ( emulsion ) 是由一种或几种液体以小液滴的形式分散于另一种与其互不相溶的液体中形成的多相分散体系。 其中一种液体是水或水溶液， 称为水相， 用符号 W 表示； 另一种与水互不相溶的液体统称为“油相，用符号0 表示。乳状液存在着两种不同类型，外相为水，内相为油的乳状液称为水包油型乳 状液( oil in wate

2、r emulsion ) ，用符号油 /水或 0/W 表示；假设外相为油，内相 为水，那么称为油包水型乳 状液( water in oil emulsion ) ，用符号水 / 油或 W/0 表示。两种乳状液在外观上无明显区 别， 可通过稀释、 染色和电导等方法进行鉴 别。乳状液能被外相液体所稀释，例如牛奶能 被水稀释，所以牛奶是 O/W 型乳状 液。如果将油溶性染料如红色的苏丹 III 加到乳状液中， 在显微镜下观察， 假设整 个乳状液带色，说明油是外相，乳状液是 W/O 型；假设只有星星点 点的液滴带色，那么是0/八。水溶液具有导电能力，而油导电能力较差，所以 0/W型乳状液的 电 导率比

3、 W/0 型的乳状液要大得多。13.2.2 乳状液的稳定性与乳化1乳化剂与乳化作用直接把水和油混合在一起震摇，虽然可以使其相互分散，但静置后很快又会 分层，不能 形成稳定的乳状液。 为了形成稳定的乳状液所必须参加的第三组分称 为乳化剂 ( emulsifying agent ) 。乳化剂的种类很多，可以是人工合成的外表 活性剂，也可以是蛋白质、树胶、明 胶、皂素、磷脂等天然产物。乳化剂的乳化作用之所以能使乳状液稳定，主要是由于： (1) 乳化剂吸附在油水界面上，降低了界面张力； ( 2) 形成具有一定机械强度的界面膜，从而 阻碍了液滴 的聚结变大。 用离子型外表活性剂为乳化剂时， 乳状液中液滴

4、常常带 有电荷，在其周围可 以形成双电层， 由于同性电荷之间的静电斥力， 阻碍了液滴 之间的聚结，从而使乳状液稳2乳状液的类型理论影响乳状液类型的因素很多。 最初人们认为相体积是决定乳状液类型的主要 因素，即 量多的液体均为外相，而量少的那么为内相。但事实证明，这种看法是片 面的，现在已经可制 成内相体积为 90% 以上的乳状液。乳状液的类型主要与乳化剂的性质有关。通常情况下，用亲水性较强 HLB 值较大 或极性基团截面积较大的乳化剂可制得 0/W型乳状液；相反，用亲油性 较强HLB值较小 或非极性基团截面积较大的乳化剂可制得 W/O 乳状液。关于乳状液类型的理论主要有定向楔型理论及双重界面张

5、力学说等。3乳化剂的选择对于外表活性剂类型的乳化剂， HLB 值可供参考。除此之外，还应考虑以下 因素： 1 乳化剂与分散相的亲和性。 2 乳化剂的配伍作用。通常将 HLB 值小的和 HLB 值大的乳化剂混合使用， 使 混合乳化剂的 HLB 值接近分散相所要求的 HLB 值，可以取得满意的效果。 3 乳化剂体系的特殊要求。 作为食品添加剂的乳化剂， 应无毒， 无特殊 气味等。 医药用乳化剂要考虑其药理性能。 农药乳化剂那么要求对农作物和人畜无 害。 4 乳化剂的本钱低、来源方便等。4乳状液的制备在实验室中最简便的制备方式就是用手震摇。经验证明，间歇震摇比连续震摇的效果好。工业生产中常用的乳化设

6、备有机械搅拌器、胶体磨、均化器及超声波乳化器 等。此外， 乳化方法也很重要，就是要注意加料顺序、方式、混合时间等。13.2.3 乳状液的转型与破坏1乳状液的转型转型是指在外界某种因素作用下，乳状液由 0/W 变成 W/0 型，或者相反的过 程，又 称为转相。乳状液的转型通常是由于外加物质使乳化剂的性质发生改变而引起的。例如，用钠皂可以形成 0/W 型乳状液，假设参加足够量的氯化钙，那么可生成钙皂而使 乳状液转型为 W/0 型。温度的改变有时也会造成乳状液的转型，当温度升高时， 乳化剂分子的亲水性变差，亲油性增强，在某一温度时，由 0/W 型转变为 W/0 型乳状液，这一温度为转型温度 phas

7、e inversion temperature ，简称 PIT 。2乳状液的破坏有时希望破坏乳状液，以使其中的水、油两相别离层，就是所谓破乳 deemulsification 。破乳可以用物理方法。 例如用离心机别离牛奶中的奶油。 原油脱 水可利用静电破乳。 升高温度也可以降低乳状液的稳定性。 另一类破乳方 法是化学方法， 即向乳状液中参加破乳剂 deemulsifier 。其原理是破坏乳化 剂的乳化能力。 例如用不 能生成牢固保护膜的外表活性物质 如异戊醇 来顶替 原来的乳化剂， 从而破坏乳化剂 形成的界面膜， 使乳状液失去稳定性。 用皂素作 乳化剂时， 假设参加无机酸， 皂类就变成 脂肪酸

8、而析出， 乳状液因失去乳化剂的稳 定作用而被破坏。13.2.4 微乳状液在由水、油和乳化剂所形成的乳状液中参加第四种物质通常是醇，当用 量适当时 可形成一种外观透明的液液分散体系， 这就是微乳状液。 参加的第四 种物质称为辅助表 面活性剂。微乳状液中液滴的大小在 10nm 左右。由于界面张 力的急剧降低， 微乳状液的热力学稳定性很高， 还能自动乳化， 长时间存放也不 会分层 破乳。其另一特点是低黏度。13.2.5 泡沫1 泡沫的形成泡沫 foam 是由液膜隔开的气泡聚集物。纯液体不能形成稳定的泡沫。搅 动一杯纯 水， 虽然也有气泡浮起， 但升至水面后很快即破裂， 假设参加少量洗衣粉 后，即可产

9、生比 较稳定的泡沫。 这些对泡沫起稳定作用的物质称为起泡剂。 外表 活性剂是最常用的起泡剂， 此外，蛋白质、明胶等高分子物质也是很好的起泡剂。起泡剂所起的作用主要如下：1 起泡剂分子吸附在气液界面上，降低了界面张力。2形成具有一定机械强度和弹性的界面膜。3形成具有一定黏度的液膜，使膜内液体不易流走，从而增加了泡沫的稳定性。2泡沫的破坏消除泡沫的方法主要有两类 :1 物理方法。利用搅拌、改变温度及压力等方法消泡。2?化学方法。通常利用参加消泡剂的方法来到达破坏泡沫稳定性的目的。13.3 例题和习题解答例 13.1 298K 下，将 20 克甲苯的乙醇溶液含甲苯 85%(w/w )参加到 20 克

10、水中形 成液滴平均半径为 10-6m 的 0/W 乳状液， 298K 下甲苯与此乙醇水溶 液的界面张力为 38mN m 1，甲苯的密度为870kg ? m3。试计算该乳状液形成过程的AG,并判断该乳状液能否自发形成。解：由 G= A ? A土 f血的)|XTTX (WA) 3X870(T =36x 10-3N- m23 G=36x 10-x 58.6=2.11J 0该乳状液的形成过程不自发。例 13.2 对某 O/W 型乳状液，采用 70% (w/w)的 Tween80 (HLB=15.0 )和 30% (w/w) 的 Span80( HLB=4.3 )复合乳化剂的乳化效果最好。现只有Span

11、60(HLB=4.7)和Tween60 (HLB=14.9 ),问二者应以何种比例混合？解： Span60+Tween60 昆合后的 HLB 值应与 70%勺 Tween80+30%Span8 混合乳 化剂的 HLB 值相等。设混合乳化剂中Span60的质量百分浓度为x%那么Tween60的质量百分浓度应为(100 x)%15.0 x 70% + 4.3 x 30% = 4.7 x x% + 14.9 x (1 x) %解得 x = 30.5%即：应以30.5%的Span60与69.5%的Tween60混合为佳。习题 13-1 乳化剂、起泡剂的乳化作用、起泡作用分别可归纳为哪几点？答：乳化剂的

12、乳化作用主要表现在：( 1 )降低油水界面张力。 (2)形成牢固的界面膜。起泡剂的起泡作用主要表现在：1降低液气界面张力。2形成具有 一定机械强度和弹性的界面膜。3形成具有一定黏度的液膜。习题 13-2 试列举出两种互不相溶的纯液体不能形成稳定乳状液的原因 答：一种液体在 外力搅拌、震摇作用下以小液滴的形式分散于另一种与 其互不相溶的液体中形成乳状液， 在此过程中， 分散相液体的比外表增大， 因而 是一个自由能增加的非自发过程， 具有热 力学不稳定性。 受自由能降低原理支配， 小液滴会自发聚结合并成大液滴， 从而减少比表 面， 使体系的自由能降低。 所以 两种互不相溶的纯液体不能形成稳定的乳状

13、液。习题13-3 Reinders指出，以固体s粉末作乳化剂时，有三种情况(1 ) 假设C soC owC sw,固体处于水中;2假设 C swc owc so, 固体处于油中；3 假设 C owC swC so, 或三个张力中没有一个大于其它二者之和，那么固体 处于水 油界面。只有在第三种情况下，固体粉末才能起到稳定作用。20C 时在空气中测得水外表张力为 72.8mN-m 1对某固体的接触角为 1 00,油外表张力为 30 mN-m 对固 体的接触角为80 ,水一油间的界面张力为 40 mN- m1，试估计此固体的粉 末能否对油水 乳化起稳定作用？解：由 You ng 杨氏方程得Csg =

14、 Csw + 72.8 cos 100(1)C sg = C so + 30 cos 80 (2)-1得 c sw c so = 17.9 mN ? m1 ) ( 2)ow,so -1彳得 C soC sw17.9 mN ? m可见 , 三个界面张力中没有一个大于其它二者之和 , 故此固体粉末211 ) +( 2)八故 C so C sw Vow即 C so Vsw得 C sw +C so = 2C sg +7.4owVso由于 C能对油水通常乳化起稳定作用。习题 13-4 对于某油水体系， 60%勺 Tween60 ( HL 吐 14.9 )与 40%勺 Span 60 ( HLB=4.7 ) 组成的混合乳化剂的乳化效果最好，混合乳化剂的 HLB 值为各乳