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- 1. EMULSIONES INTRODUCCIÓN TIPOS DE EMULSIONES ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES TEORÍA DESCRIPTIVA DE LAS EMULSIONES AGENTES EMULSIONANTES O EMULSIFICANTES
- 2. INTRODUCCIÓN ¿Qué es una emulsión? Una emulsion es un sistema disperso o dispersion coloidal en la cual la fase dispersa está compuesta de pequeños globulos de un líquido distribuido totalmente en otro líquido con el cual es inmiscible o parcialmente miscible. Qué es un sistema disperso? Los sistemas compuestos por dos fases, al menos, se denominan sistemas dispersos, en los que una fase ( fase dispersa) está finamente distribuida en la otra fase (fase dispersante). SISTEMAS DISPERSOS Fase dispersante Fase dispersa FASE DISPERSA , DISCONTINUA O INTERNA: Finamente dividida FASE DISPERSANTE , EXTERNA O CONTINUA: Medio de dispersión
- 3. SISTEMAS DISPERSOS Sí las partículas dispersas son de una única forma, se habla de partículas monoformes; en el caso de morfología diferente, se habla de partículas poliformes. Los sistemas con partículas monoformes del mismo tamaño se denominan monodispersos, y aquellos cuyas partículas son de tamaño desigual se les denomina sistemas heterodispersos o polidispersos.
- 4. TIPOS DE SISTEMAS DISPERSOS SISTEMAS INCOHERENTES: Integrados por dos fases bien diferenciadas, una de ellas, externa, abierta o continua, en la que se encuentra dispersada la fase interna, cerrada o discontinua, en forma de gotitas, como sucede en el caso de las emulsiones.
- 5. TIPOS DE SISTEMAS DISPERSOS SISTEMAS COHERENTES: Integrado por dos fases entremezcladas y mantenidas de forma estable mediante meca- nismos, general-mente de tipo físico-químico, tal como sucede parti- cularmente en geles.
- 6. ESTABILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS. Los sistemas dispersos constituyen un estado intermedio entre la perfecta interposición molecular o iónica que tiene lugar en las soluciones y la separación de fases. Por lo general, se trata de sistemas termodinámicamente inestables, pero cinéticamente estables, por lo que únicamente una adecuada formulación permitirá obtener preparados con una estabilidad físico-química aceptable, minimizando los efectos de los factores que tiendan a inestabilizarlos.
- 7. ESTABILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS Los principales factores de los que depende la estabilidad de los sistemas dispersos son: GRADO DE DISPERSIÓN Cuando el grado de dispersión de la fase interna es elevado y homogéneo, se comprueba un incremento en la estabilidad, particularmente notable en los sistemas de emulsión. ADITIVOS REOLÓGICOS En general favorecen la estabilidad de los sistemas dispersos, debido a que éstos dificultan la movilidad y en consecuencia, el acercamiento y posibilidad de floculación de las partículas. Con ello se disminuye la tendencia a la separación de fases del sistema.
- 8. COMPOSICIÓN DE UNA EMULSIÓN La palabra EMULSION se ha usado y se usa en diferentes tipos de sistemas y por eso es importante precisar que este curso trata de MACROEMULSIONES. En las macroemulsiones los globulos del líquido dispersado tienen dimensiones en el rango 0,1-100 μm de diámetro, el cual puede eventualmente extenderse en casos especiales al rango 0,1-500 μm. Las gotas comprendidas en el rango 1-100 μm pueden observarse con un microscopio óptico, y en general son sensible a la gravedad, es decir que sedimentan de acuerdo a la ley de Stokes, siempre y cuando la diferencia de densidad de los dos líquidos no sea despreciable.
- 9. COMPOSICIÓN DE UNA EMULSIÓN Las cantidades relativas de fase dispersa y de fase continua (referidas también como fase interna y fase externa) influyen notablemente sobre las propiedades. Por debajo de 20% de fase interna se habla de una emulsión de bajo contenido de fase interna. En tales emulsiones se puede considerar que hay poca interacción de las gotas entre si, lo que permite modelizar ciertos comportamientos. Al otro extremo están las emulsiones de alto contenido de fase interna, en las cuales las gotas de la fase interna ocupan más del 60-70% del volumen. En tales emulsiones las interacciones entre gotas dominan los efectos. Más allá de 75%, las gotas están literalmente en contacto y la emulsión se torna muy viscosa.
- 10. COMPOSICIÓN DE UNA EMULSIÓN En la naturaleza se encuentran emulsiones como el latex o la leche. Pero en general las emulsiones son productos manufacturados con un cierto propósito. Algunas emulsiones permiten aumentar considerablemente el área de contacto entre dos líquidos y por tanto favorecen la transferencia de masa, por ejemplo en procesos de extracción líquido-líquido, o en polimerización en emulsión. Se encuentran emulsiones en muchas aplicaciones domésticas o industriales como la administración de medicamentos, el acondicionamiento de alimentos y bebidas, las pinturas, los productos farmacéuticos y cosméticos, etc. En realidad los fabricantes de emulsiones deben enfrentarse casi siempre a una serie de especificaciones, para que el producto final tenga las propiedades requeridas para su aplicación.
- 11. COMPOSICIÓN DE LAS EMULSIONES Una emulsión estable debe contener por lo menos tres tipos de componentes: * La fase dispersa * El medio de dispersión * Agente emulsionante En la mayoría de los casos en los cuales se hace una emulsión con dos líquidos inmiscibles, uno de los líquidos es una fase acuosa y el otro una fase orgánica o aceite.
- 12. TIPO DE EMULSION Se usarán las abreviaturas W (water) y O (oil) para dichas fases, ya que en castellano las palabras agua y aceite empiezan por la misma letra Si las gotas de aceite son dispersadas en una fase acuosa continua, la emulsión es conocida como emulsión aceite en agua (O/W). Si el aceite es la fase continua la emulsión es del tipo agua en aceite (W/O).
- 13. TIPOS DE EMULSIÓN Las emulsiones (O/W) y (W/O) son las más simples, casi sistemas ideales. También existen emulsiones múltiples con las características de aceite en agua en aceite (O/W/O) o de agua en aceite en agua (W/O/W), las cuales también se pueden invertir, sin embargo durante la inversión usualmente forman emulsiones simples.
- 14. TIPO DE EMULSION Las emulsiones múltiples son sistemas líquido- líquido dispersados, en los cuales la fase interna es en su turno una emulsión. Como se puede pensar que por definición de aceite y de agua, dos fases aceites son miscibles entre si, así como dos fases agua, un emulsión múltiple contiene en realidad solo dos fases pero una porción de la fase externa está dispersada en forma de pequeñísimas gotas dentro de las gotas de la fase interna.
- 15. TIPOS DE EMULSIÓN Es también posible tener emulsiones múltiples y entonces hay gotas más pequeñas dentro de las gotas de fase interna que están compuestas de un líquido diferente de la fase externa. En tal caso se usa una simbología particular: W1/O/W2 o O1/W/O2 dónde el índice 1 se refiere al líquido que compone las pequeñísimas gotas y el índice 2 indica la fase externa. Las emulsiones múltiples tienen un cierto interés práctico ya que la diferencia de composición entre las fases de misma naturaleza (1 y 2) puede inducir una transferencia de masa.
- 16. TIPO DE EMULSION Las emulsiones múltiples se encuentran en forma espontánea en ciertas circunstancias, o pueden prepararse a propósito. Las emulsiones múltiples no pueden definirse con la concentración de ambas fases Hay que especificar el contenido de fases interna en los dos tipos de gotas.
- 17. TIPOS DE EMULSIÓN Se utiliza el término BIEMULSIÓN en el caso en que se mezclan dos emulsiones semejantes, es decir con fase externa idénticas o compatibles. Desde el punto de vista práctico se trata de una emulsión en la cual se encuentran dos tipos de gotas dispersadas en una misma fase externa. Si las gotas son de mismo líquido la diferencia puede deberse a su granulometría, es decir su distribución de tamaño. Las biemulsiones pueden presentar propiedades reológicas interesantes. Si los dos tipos de gotas son de naturaleza diferente pueden eventualmente coalescer entre si y producir fenómenos particulares como reacción química, polimerización, etc.
- 18. Microemulsiones: Son mezclas líquidas, claras y estables, de aceite, agua y surfactante, frecuentemente en combinación con un co-surfactante. En contraste con las emulsiones ordinarias, las microemulsiones se forman por simple mezclado de los componentes y no requieren las condiciones de alto cizallamiento, generalmente usadas en la formación de las emulsiones ordinarias. Los dos tipos básicos de microemulsiones son O/W y W/O .A pesar de que tienen eso en común con la macroemulsiones : 1- Lucen como soluciones claras y transparentes. 2- El diámetro de las gotas de la fase interna tiene un rango entre 10-200nm 3-Son termodinámicamente estables.
- 19. DIFERENCIA ENTRE EMULSIONES O/W Y W/O EN CREMAS PARA LA PIEL O/W W/O El aceite es la fase dispersa y el agua el medio de dispersión El aceite es el medio de dispersión y el agua la fase dispersa No es grasosa y es fácilmente removida de la piel Es grasosa y no lavable con agua Usada externamente produce una sensación de enfriamiento Usada externamente previene la evaporación de la humedad de la piel. Preferida para uso interno ya que el olor de algunos aceites puede ser enmascarado Preferida para uso externo como crema
- 20. CARACTERÍSTICAS DE LAS EMULSIONES Generalmente una emulsión O/W tiene una textura cremosa y las W/O tienen un tacto graso. La emulsión se mezcla fácilmente con líquidos miscibles con el medio de dispersión. Las emulsiones se colorean con facilidad con tintes que son solubles en el medio de dispersión. La conductividad eléctrica es mucho mayor en emulsiones O/W que en las W/O.
- 21. PRUEBAS USADAS PARA IDENTIFICAR EL TIPO DE EMULSIÓN Test de dilución: Basado en la solubilidad de la fase externa de la emulsión
- 22. PRUEBAS USADAS PARA IDENTIFICAR EL TIPO DE EMULSIÓN Test de conductividad: Si la fase continua es agua, esta conduce la electricidad mientras que si es aceite no.
- 23. PRUEBAS USADAS PARA IDENTIFICAR EL TIPO DE EMULSIÓN •Test de solubilidad: Una emulsión se mezcla con un tinte soluble en agua tal como el amaranto, se observa bajo el microscopio, •Si la fase continua se tiñe de rojo es entonces la emulsión es del tipo o/w, •Si los globulos dispersos se tiñen de rojo y la fase continua sin colorr la emulsión es del tipo w/o
- 24. PRUEBAS USADAS PARA IDENTIFICAR EL TIPO DE EMULSIÓN Test de fluorescencia: Los aceites dan fluorescencia bajo la luz UV, mientras que el agua no, así una emulsión o/w muestra un patrónde puntos, mientras que las emulsiones w/o fluorescen.
- 25. ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES La propiedad física más importante de una emulsión es la estabilidad. El término estabilidad de una emulsión se utiliza con frecuencia en relación con dos fenómenos esencialmente diferentes: Formación de nata (creaming) o sedimentación. Destrucción de la emulsión debido a la coalescencia de las gotículas.
- 26. ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES Sin embargo podemos distinguir otros fenómenos que podemos clasificar así: Floculación y creaming Coalescencia y quiebre Inversión de fase Otros cambios fisicoquímicos variados.
- 28. Floculación y Creaming o formación de nata •Floculación: Las pequeñas esferas de aceite se juntan para formar cúmulos o flóculos que se elevan o se asientan en la emulsión más rápidamente que las partículas individuales. •Creaming o formación de nata: Consiste en la concentración de los flóculos de la fase interna formando una capa superior o inferior de acuerdo a la densidad de la fase interna
- 29. Coalescencia y Ruptura Coalescencia es el proceso por el cual las partículas emulsionadas que se combinan para formar partículas mayores. Ruptura: Debido a la coalescencia y creaming combinados, el aceite se separa completamente de la fase acuosa de tal forma que flota en la parte superior en una sola y contínua fase.
- 30. Diferencias entre Creaming y Ruptura
- 31. INVERSIÓN DE FASE En la inversión de fase las emulsiones del tipo o/w cambia al tipo w/o y viceversa. Es una inestabilidad física Puede ser causada por: La adición de un electrolito Por cambio de la relación de volúmenes de las fases Por cambio de temperatura La inversión de fase puede ser minimizada por Usando un agente emulsificante en concentración adecuada Manteniendo la concentración de laq fase dispersa entre 30 y 60% Almacenando la emulsión en lugar frio
- 32. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN Cuando agua - aceite son mezclados y agitados, se produce la variabilidad del tamaño de gotas. Existe una tensión interfacial cuando dos fases inmiscibles tienden a dar una diferencia de fuerzas de atracción por una molécula en la interfase. Termodinámicamente hablando este trabajo es la energía de la interfase impartida al sistema. Una alta energía libre interfacial favorece una reducción del área interfacial, causando que las gotas asuman una forma esférica ( mínima área de superficie por volumen dado) y luego se ocasiona la coalescencia ( con un resultado decreciente en el numero de gotas). G = g A
- 33. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN La reducción de la tensión superficial baja la energía libre interfacial produciendo una dispersión. Cuando dos gotas de la fase dispersa están ubicadas muy cerca, a una distancia igual o menor a su radio se someten a dos fuerzas, las de atracción de van der Waals que se relacionan con la masa o volumen de la materia y las de repulsión que dependen de las propiedades interfaciales que el surfactante les confiere. Entonces las fuerzas atractivas dependen del volumen de las gotas vecinas y las repulsivas área superficial de las gotas.
- 34. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN Por tanto una disminución del tamaño de las gotas favorece las fuerzas repulsivas (que dependen del área) respecto a las fuerzas atractivas (que dependen del volumen). Es por esta razón que en los sistemas dispersos (que sean emulsiones, suspensiones o espumas), se trata siempre de fragmentar la materia hasta un tamaño de "grano" relativamente pequeño, con el propósito de favorecer las fuerzas repulsivas que aseguran la estabilidad de la dispersión. Al contrario cualquier fenómeno susceptible de favorecer el crecimiento de tamaño de gota o la aglutinación de gotas (lo que resulta en mayor masa) tiende a desestabilizar la emulsión.
- 35. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN La formación de nata aparece por una diferencia de densidad entre las dos fases y no va acompañada necesariamente de una agregación de goticas, aunque esto facilita el proceso. Las colisiones entre goticas pueden producir floculación, lo que a su vez puede conducir a la coalescencia con formación de glóbulos mayores. Finalmente la fase dispersa se convierte en una fase continua separada del medio de dispersión por una sola interfase
- 36. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN EMULSIÓN SUSPENSION Relación grande Superficie/volumen ( A/V) Tendencia de las partículas a asociarse para reducir su área superficial (G = g A) Formación de nata o creaming Sedimentación, Flocula- ción, coalescencia. Espontáneo Estabilización por formulación
- 37. TEORÍA DESCRIPTIVA DE LA EMULSIÓN Si se prepara una emulsión homogeneizando dos líquidos puros, la separación de fases de los componentes será generalmente rápida y aún más rápida si la concentración de la fase dispersa es alta. Las emulsiones presentan una cierta estabilidad a la coalescencia, cuya magnitud en la escala de tiempo depende esencialmente de la formulación y las condiciones de preparación. La estabilidad en el sentido de inhibición de la coalescencia de las gotas entre sí , es asegurada por la adición de pequeñas cantidades (en el rango 0,2 - 3%) de una tercera sustancia llamada emulsionante o emulsificante, que en general es un surfactante.
- 38. AGENTES EMULSIONANTES O EMULSIFICANTES Se han propuesto muchas teorías para tratar de explicar como los agentes emulsionantes promueven y estabilizan las emulsiones. Aunque las diversas teorías se aplican más bien específicamente a ciertas condiciones y ciertos agentes emulsionantes, por ejemplo el pH de las fases del sistema y la naturaleza y proporciones relativas de las fases internas y externas. Entre las teorías más prevalecientes están: oLa teoría de la tensión superficial, ola teoría de la cuña orientada ola teoría de la película interfacial o plástica.
- 39. AGENTES EMULSIONANTES Y ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES Las funciones de un emulsionante son: Facilitar la formación de la emulsión Promover la estabilidad de la misma Las sustancias más efectivas como agentes emulsionantes pueden ser clasificadas como: Sustancias con actividad superficial Materiales de origen natural Polvo fino de sólidos. Estos agentes forman una película adsorbida alrededor de las goticas dispersadas que contribuyen a evitar la floculación y la coalescencia.
- 40. AGENTES EMULSIONANTES Y ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES El surfactante es absorbido en la interfase, o más precisamente, en la superficie de las gotas suspendidas. La presencia de surfactante en las dos interfaces que se acercan puede producir varios tipos de fenómenos de naturaleza eléctrica, estérica, entrópica u osmótica Por razones de eficiencia y de costo se usa en general un emulsionante compuesto de una mezcla de varios surfactantes.
- 41. AGENTES EMULSIONANTES Y ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES El mecanismo de estabilización es complejo y puede variar de un sistema a otro. Los factores que favorecen la estabilidad de una emulsión dependen de la naturaleza del emulsionante y de las condiciones de formulación y manufactura elegidas como apropiadas. Algunos factores son: Tensión interfacial baja Película interfacial mecánicamente fuerte Repulsiones de doble capa eléctrica Relaciones apropiadas de los volúmenes de las fases Tamaño de partículas pequeños Viscosidad alta