مستحلب دقيق
المستحلبات الدقيقة عبارة عن مخاليط سائلة شفافة ومتجانسة ومستقرة حراريًا ، تتكون من الزيت والماء ومادة فعالة سطحية ، وغالبًا ما تُضاف إليها مادة فعالة سطحية مساعدة. قد يحتوي الطور المائي على أملاح و/أو مكونات أخرى، وقد يكون "الزيت" في الواقع خليطًا معقدًا من هيدروكربونات مختلفة . على عكس المستحلبات العادية ، تتشكل المستحلبات الدقيقة بمجرد خلط المكونات، ولا تتطلب ظروف القص العالية المستخدمة عادةً في تكوين المستحلبات العادية. الأنواع الأساسية الثلاثة للمستحلبات الدقيقة هي: المستحلبات المباشرة (زيت منتشر في الماء، زيت في ماء)، والمستحلبات العكسية (ماء منتشر في الزيت، ماء في زيت)، والمستحلبات ثنائية الاستمرارية.
في الأنظمة الثلاثية مثل المستحلبات الدقيقة، حيث توجد مرحلتان غير قابلتين للامتزاج (الماء و"الزيت") مع مادة خافضة للتوتر السطحي، قد تشكل جزيئات المادة الخافضة للتوتر السطحي طبقة أحادية عند السطح البيني بين الزيت والماء، مع ذوبان الذيول الكارهة للماء لجزيئات المادة الخافضة للتوتر السطحي في الطور الزيتي ومجموعات الرأس المحبة للماء في الطور المائي.
الاستخدامات
المستحلب الدقيق : تشتت مصنوع من الماء والزيت والمواد الخافضة للتوتر السطحي، وهو نظام متجانس ومستقر ديناميكيًا حراريًا بقطر نطاق متشتت يتراوح تقريبًا من 1 إلى 100 نانومتر، وعادةً من 10 إلى 50 نانومتر.
ملاحظة 1 : في المستحلب الدقيق تكون مجالات الطور المشتت إما كروية أو مترابطة (لإعطاء مستحلب دقيق ثنائي الاستمرارية).
ملاحظة ٢ : يبلغ متوسط قطر القطرات في المستحلبات الكبيرة (والتي يُشار إليها عادةً باسم " المستحلب ") حوالي مليمتر واحد (أي ١٠⁻³ متر ). لذلك، وبما أن "المستحلب الصغير" يعني ١٠⁻⁶ متر ، و"المستحلب" يعني أن قطر قطرات الطور المنتشر يقارب ١٠⁻³ متر ، فإن "المستحلب الصغير " يشير إلى نظام يتراوح فيه حجم الطور المنتشر بين ١٠⁻⁶ × ١٠⁻³ متر = ١٠⁻⁹ متر .
ملاحظة 3 : اكتسب مصطلح "المستحلب الدقيق" معنى خاصاً. عادةً ما يتم تثبيت مكونات الطور المنتشر بواسطة مواد فعالة سطحياً و/أو أنظمة مواد فعالة سطحياً ومواد مساعدة فعالة سطحياً (مثل الكحول الأليفاتي).
ملاحظة 4 : يشير مصطلح "الزيت" إلى أي سائل غير قابل للذوبان في الماء. [ 1 ]
بلمرة المستحلبات الدقيقة : بلمرة المستحلبات التي يكون فيها النظام الأولي عبارة عن مستحلب دقيق ويتكون اللاتكس النهائي من جزيئات غروانية من البوليمر منتشرة في وسط مائي.
ملاحظة : تتراوح أقطار جزيئات البوليمر المتكونة في بلمرة المستحلبات الدقيقة عادةً بين 10 و 50 نانومتر. [ 2 ]
للمستحلبات الدقيقة العديد من الاستخدامات التجارية الهامة:
- مستحلبات دقيقة من الماء في الزيت لبعض عمليات التنظيف الجاف
- ماكينات تلميع وتنظيف الأرضيات
- منتجات العناية الشخصية
- تركيبات المبيدات
- زيوت التشحيم
- الأدوية [ 3 ]
استُلهمت معظم الدراسات التي أُجريت على هذه الأنظمة من إمكانية استخدامها لتحريك النفط المحتجز في الحجر الرملي المسامي لتعزيز استخلاص النفط . ويكمن أحد الأسباب الرئيسية لاستخدام هذه الأنظمة في أن طور المستحلب الدقيق يتميز أحيانًا بتوتر سطحي منخفض للغاية مع طور زيتي أو مائي منفصل، مما قد يؤدي إلى تحريره أو تحريكه من الأطوار الصلبة حتى في ظروف التدفق البطيء أو تدرجات الضغط المنخفضة.
تُستخدم المستحلبات الدقيقة في العديد من التطبيقات الصناعية، منها تصنيع البوليمرات . وتُعدّ بلمرة المستحلبات الدقيقة عمليةً غير متجانسة معقدة، حيث يتم فيها نقل المونومرات والجذور الحرة وأنواع أخرى (مثل عامل نقل السلسلة، والمواد المساعدة على خفض التوتر السطحي، والمثبطات) بين الطورين المائي والعضوي. [ 4 ] وبالمقارنة مع عمليات البلمرة غير المتجانسة الأخرى (التعليق أو الاستحلاب)، تُعتبر بلمرة المستحلبات الدقيقة نظامًا أكثر تعقيدًا. ويتم التحكم في معدل البلمرة من خلال توزيع المونومرات بين الأطوار، وتكوين النوى الجزيئية، وامتصاص الجذور الحرة وانفصالها . كما تتأثر استقرارية الجسيمات بكمية ونوع المادة الفعالة على التوتر السطحي ودرجة حموضة الوسط المشتت. [ 5 ] وتُستخدم هذه التقنية أيضًا في عملية تصنيع الجسيمات النانوية.
تتشابه حركية بلمرة المستحلبات الدقيقة إلى حد كبير مع حركية بلمرة المستحلبات ، وأبرز سماتها المميزة هي التجزئة، حيث يتم فصل الجذور التي تنمو داخل الجسيمات عن بعضها البعض، مما يؤدي إلى كبح الإنهاء إلى حد كبير، وبالتالي توفير معدلات عالية من البلمرة.
نظرية
طُرحت على مر السنين نظرياتٌ عديدةٌ حول تكوين المستحلبات الدقيقة واستقرارها وسلوك أطوارها. فعلى سبيل المثال، يُعزى استقرارها الديناميكي الحراري إلى أن تشتت الزيت/الماء يُثبَّت بواسطة المادة الفعالة سطحيًا الموجودة، وأن تكوينها يعتمد على الخصائص المرنة لغشاء المادة الفعالة سطحيًا عند سطح التماس بين الزيت والماء، والتي تشمل كمعاملات انحناء الغشاء وصلابته. وقد تعتمد هذه المعاملات، سواءً كانت مفترضة أو مقاسة، على الضغط و/أو درجة الحرارة (و/أو ملوحة الطور المائي )، ما يُمكن استخدامه لاستنتاج نطاق استقرار المستحلب الدقيق، أو لتحديد المنطقة التي تتواجد فيها ثلاثة أطوار متعايشة، على سبيل المثال. كما تُعدّ حسابات التوتر السطحي للمستحلب الدقيق مع وجود طور زيتي أو مائي متعايش محورًا رئيسيًا، وقد تُستخدم أحيانًا لتوجيه تركيبه.
التاريخ والمصطلحات
استُخدم مصطلح "المستحلب الدقيق" لأول مرة من قِبل تي بي هوار وجيه إتش شولمان، أستاذي الكيمياء بجامعة كامبريدج ، عام 1943. وتُستخدم أسماء بديلة لهذه الأنظمة، مثل " المستحلب الشفاف" و "المذيلات المنتفخة" و "المحلول المذيلّي" و "الزيت المذاب ". بل إن مصطلح "المستحلب الدقيق" قد يُشير إلى الطور المتجانس الأحادي، وهو عبارة عن خليط من الزيت والماء والمادة الفعالة سطحياً، أو إلى طور متوازن مع أطوار زيتية و/أو مائية متجانسة، أو حتى إلى أطوار أخرى غير متجانسة. وكما هو الحال في الأنظمة الثنائية (ماء/مادة فعالة سطحياً أو زيت/مادة فعالة سطحياً)، يمكن تكوين تراكيب ذاتية التجميع من أنواع مختلفة، تتراوح، على سبيل المثال، من المذيلات الكروية والأسطوانية (المقلوبة) إلى الأطوار الصفائحية والمستحلبات الدقيقة ثنائية الاستمرارية، والتي قد تتعايش مع أطوار زيتية أو مائية متجانسة. [ 6 ]
مخططات الأطوار
تُوصَف نطاقات المستحلبات الدقيقة عادةً برسم مخططات الطور الثلاثية. ثلاثة مكونات أساسية لتكوين مستحلب دقيق: سائلان غير قابلين للامتزاج ومادة فعالة سطحياً. تستخدم معظم المستحلبات الدقيقة الزيت والماء كزوجين من السوائل غير القابلة للامتزاج. في حال استخدام مادة فعالة سطحياً مساعدة، يمكن تمثيلها أحيانًا بنسبة ثابتة إلى المادة الفعالة السطحية كمكون واحد، ومعاملتها كمكون "شبه" واحد. يمكن تمثيل الكميات النسبية لهذه المكونات الثلاثة في مخطط طور ثلاثي . يمكن استخدام مخططات طور جيبس لإظهار تأثير تغيرات النسب الحجمية للأطوار المختلفة على سلوك الطور للنظام.
توجد المكونات الثلاثة للنظام عند رؤوس المثلث، حيث تبلغ نسبة حجم كل مكون 100%. بالابتعاد عن هذه الرؤوس، تقل نسبة حجم ذلك المكون المحدد، وتزداد نسبة حجم أحد المكونين الآخرين أو كليهما. تمثل كل نقطة داخل المثلث تركيبة محتملة لمزيج من المكونات الثلاثة أو مكونات شبهية، والتي قد تتكون (مثاليًا، وفقًا لقاعدة أطوار جيبس ) من طور واحد أو طورين أو ثلاثة أطوار. تتحد هذه النقاط لتشكل مناطق ذات حدود فاصلة، تمثل "سلوك الطور" للنظام عند ثبات درجة الحرارة والضغط.
مع ذلك، يُعد مخطط أطوار جيبس ملاحظةً بصريةً تجريبيةً لحالة النظام، وقد يُعبّر أو لا يُعبّر عن العدد الحقيقي للأطوار ضمن تركيبةٍ مُحددة. قد تحتوي التركيبات أحادية الطور الشفافة ظاهريًا على أطوارٍ متجانسةٍ متعددة (مثل مستحلبات الهيبتان/ AOT /الماء الدقيقة الشفافة ظاهريًا، والتي تحتوي على أطوارٍ متعددة). ولأن هذه الأنظمة قد تكون في حالة توازن مع أطوارٍ أخرى، فإن العديد من الأنظمة، وخاصةً تلك التي تحتوي على نسبٍ حجميةٍ عاليةٍ من كلا الطورين غير القابلين للامتزاج، يُمكن أن تُزعزع استقرارها بسهولةٍ بأي شيءٍ يُغيّر هذا التوازن، مثل ارتفاع أو انخفاض درجة الحرارة أو إضافة عوامل مُعدِّلة للتوتر السطحي.
مع ذلك، توجد أمثلة على مستحلبات دقيقة مستقرة نسبيًا. يُعتقد أن آلية إزالة تراكم الأحماض في زيوت محركات السيارات تعتمد على مستحلبات دقيقة من نوع الماء في الزيت (w/o) ذات حجم طور مائي منخفض. نظريًا، يكون انتقال قطرات الحمض المائية عبر زيت المحرك إلى جزيئات كربونات الكالسيوم متناهية الصغر في الزيت أكثر كفاءة عندما تكون القطرات المائية صغيرة بما يكفي لنقل أيون هيدروجين واحد (كلما صغر حجم القطرات، زاد عدد قطرات الماء الحمضية، وتسارعت عملية التعادل). من المرجح أن تكون هذه المستحلبات الدقيقة مستقرة جدًا ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة المرتفعة.
مراجع
- ↑ سلومكوفسكي، ستانيسلاف (2011). "مصطلحات البوليمرات وعمليات البلمرة في الأنظمة المشتتة (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2011)" (ملف PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 83 (12): 2229-2259 . doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 .
- ↑ سلومكوفسكي، ستانيسلاف (2011). "مصطلحات البوليمرات وعمليات البلمرة في الأنظمة المشتتة (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2011)" (ملف PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 83 (12): 2229-2259 . doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 .
- ↑ جيبود، ستيفان (2012). "المستحلبات الدقيقة للإعطاء عن طريق الفم وتطبيقاتها العلاجية" (ملف PDF) . رأي الخبراء في توصيل الأدوية . 9 : 937-951 . doi : 10.1517/17425247.2012.694865 . PMID 22663249 .
- ↑ "عملية المستحلب الدقيق لإنتاج بوليمرات أكريلاميد-ألكيل أكريلاميد المشتركة"، إس آر تيرنر، دي بي سيانو وجيه بوك، براءة اختراع أمريكية رقم 4,521,580، يونيو 1985.
- ^ أوفاندو ميدينا، فيكتور م. منديزابال، إدواردو؛ بيرالتا ، رينيه د. (مايو 2005). “النمذجة الحركية للبلمرة المشتركة للمستحلبات الدقيقة”. نشرة البوليمر . 54 ( 1 – 2): 129 – 140. دوى : 10.1007 / s00289-005-0369-2 .
- ↑ هوار، تي بي؛ شولمان، جيه إتش (يوليو 1943). "معلقات الماء الشفافة في الزيت: المذيلات المائية الزيتية". مجلة نيتشر . 152 (3847): 102-103 . doi : 10.1038/152102a0 .
فهرس
- الكيمياء الغروية
- المادة اللينة