امولسیون (Emulsion) چیست؟

امولسیون چیست؟ اکثر مواد روغنی در آب متراکم نمیشوند و اگر آب و روغن با هم مخلوط شوند، ذرات روغن روي سطح آب شناور میگردد. در امولسیونها روغن به صورت قطرات مایع در یک فاز پیوسته که معمولا آب میباشد، پخش شده است.

قطرات روغن تمایل به ترکیب شدن با هم را دارند و میخواهند به صورت یک لایه متراکم روي سطح آب قرار گیرند، در نتیجه یک امولسیون از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است. براي جلوگیري از این پدیده از یک سورفکتانت ( امولسیفایر ) استفاده میشود که سطح هر قطره را پوشش میدهد و از متراکم شدن آنها جلوگیري میکند.

در عمل با یک مخلوط آب و روغن با اضافه کردن سورفکتانت مناسب و استفاده از یک همزن یک امولسیون ایجاد میگردد. مواد طبیعی مانند شیر (O/W ) کره (W/O ) اکثر محصولات آرایشی جهت مراقبت از پوست و مو و محصولات صنعتی مانند رنگهاي نقاشی نمونه هایی از انواع امولسیونها هستند.

امولسیون (Emulsion) چیست؟

یک امولسیون مخلوط دو یا چند مایع غیر قابل امتزاج (غیر قابل اختلاط) میباشد. به عبارت دیگر تجمیع مایع با مایع را در صورتی که دو مایع در هم حل نمیشوند و به حالت تعلیق در آیند، امولسیون میگویند.

امولسیون- ها بخشی از یک گروه کلی از سیستمهاي دو فازي به نام کلوئیدها هستند. واژه کلوئید و امولسیون در بعضی مواقع قابل تعویض میباشند.

واژه امولسیون زمانی به کار میرود که یک مایع به عنوان پخش شونده در یک فاز پخش میگردد. مرز بین دو فاز، فاز میانی دیگر به عنوان فاز پیوسته نامیده میشود.

امولسیونها تمایل به ظاهري ابري و کدر دارند. زیرا نوري که از میان امولسیون میگذرد مقدار زیادي از آن، توسط فاز میانی پخش میگردد. لذا اگر تمام نور تابیده شده به همان اندازه مساوي پخش گردد امولسیون سفید به نظر میرسد.

زمانی که ذرات فاز پخش شونده به اندازه کافی کوچک باشند و در واقع وقتی اندازه قطرات فاز پخش شونده نزدیک به طول موج نور تابیده شده باشند، امولسیونها کاملا شفاف و براق به نظر میرسند.

امولسیونها خود به خود تشکیل نمیشوند و پس از تشکیل نیز تمایل به ناپایداري دارند. در بیشتر مواقع امولسیونها تمایل دارند به حالت پایدار فازهایی که آن را تشکیل دادند، برگردند به گونهاي که در یک امولسیون ناپایدار حتی با تکان شدید و مداوم دو فاز سریع از هم جدا میشوند.

لذا جهت تشکیل امولسیونها انرژي از طریق حرارت دادن، همزدن و هموژنایز کردن لازم است. همچنین جهت پایداري یک امولسیون استفاده از یک امولسیفایر به عنوان یک سورفکتانت یا ماده فعال در سطح لازم میباشد.

ترکیبات اصلی یک امولسیون عبارتند از:

۱ – فاز داخلی یا ناپیوسته یا پخش شونده

۲ – فاز خارجی یا پیوسته

۳ – ماده امولسیفایر

امولسیون (emulsion) چگونه تشکیل میگردد؟

وقتی یک قطره آب در هوا قرار میگیرد کشش سطحی نیرویی است که جهت کاهش مساحت سطح روي سطح قطره آب عمل میکند و در نتیجه قطره آب کروي میشود.

وقتی دو ماده غیر قابل امتزاج مانند آب و روغن در تماس با هم قرار میگیرند در حد فاصل سطح تماس آنها یک نیروي کشش سطحی وجود دارد. که این نیرو به گونهاي عمل میکند که دو ماده تمایل به جدا شدن پیدا میکنند و وقتی این نیرو افزایش یابد نیروي لازم براي جدایی دو فاز قوي تر میگردد.

ماده فعال در سطح به گونهاي عمل میکند که سبب کاهش این کشش سطحی میگردد و سبب تغییر در خواص سطح میانی میشود. ماده فعال در سطح شامل یک قسمت مواد قابل انحلال در آب (آب دوست) و یک قسمت مواد قابل انحلال در روغن (چربی دوست) میباشد.

وقتی یک ماده فعال سطحی به دو فاز آب و روغن اضافه میگردد، اولین پدیدهاي که اتفاق میافتد این است که این ماده جذب سطحی میشود و در فصل مشترك دو فاز قرار میگیرد. قسمت آب دوست مولکول آن به سمت آب و قسمت چربی دوست مولکول آن به طرف فاز روغن جهت گیري مینماید.

از جمع شدن مولکولهاي سورفکتانت در مرز میانی دو فاز میسل تشکیل میگردد. میسلها به گونهاي هستند که سر آب دوست سورفکتانت به سمت آب و سر چربی دوست آن به سمت روغن جهتگیري مینماید.

میسلها تقریبا به شکل کروي هستند. شکلهاي دیگري از قبیل LIPOSOM OR VESICLE,CYLINDERS ,BILAYERS وجود دارند.

شکل و اندازه میسلها تابعی از شکل فضایی مولکولهاي سورفکتانت تشکیل دهنده آنها و شرایط محلول از قبیل غلظت سورفکتانت، دما، pH و قدرت یونی میباشد.

بعد از تشکیل میسلها تغییر در خواص سطحی فاز میانی اتفاق میافتد. زمانی که غلظت میسلها در یک حد بحرانی قرار میگیرد، کشش سطحی در فاز میانی به حداقل خود میرسد. بعد از فرایند میسلی شدن و رسیدن کشش سطحی به حداقل مقدار خود، امولسیون تشکیل میگردد.

همانگونه که در شکل۶ دیده میشود در غلظتهاي کم سورفکتانت فقط مقدار کمی کاهش کشش سطحی اتفاق میافتد، اضافه کردن مقدار بیشتر از سورفکتانت سبب کاهش کشش سطحی میشود و زمانی که سطح از میسلها پر میشود (در CMC (دیگر کاهش یا افزایش در کشش سطحی اتفاق نمیافتد.

انواع امولسیون (emulsion)

امولسیونها بر اساس انتخاب امولسیفایر و نحوه اضافه کردن دو فاز آب و روغن به یکدیگر به دو نوع اصلی روغن در آب یا آب در روغن تقسیم میشوند.

وقتی قطرات روغن در آب پخش میگردد، امولسیون روغن در آب (O/W )ساخته میشود. در امولسیون O/W فاز خارجی آب است. بنابراین به راحتی از سطح پوست شسته می- شود و حس چربی و روغنی بر روي پوست ایجاد نمیگردد و سبب افزایش رطوبت در لایه خارجی پوست اپیدرم میگردد.

از سیستمهاي O/W در کرمهایی که هدف آب رسانی به سطح پوست را دارند، استفاده میشود. وقتی قطرات آب در فاز روغن پخش گردد، امولسیون آب در روغن (W/O) ساخته میشود.

در امولسیون W/O فاز خارجی روغن است لذا به راحتی از سطح پوست شسته نمیشود و یک بار چربی بر روي پوست باقی میگذارد. این بار چربی میتواند سبب جلوگیري از خروج رطوبت از سطح پوست شود. بنابراین در کرمهاي محافظت کننده از سیستم W/O استفاده میشود.

این نوع کرمها میتواند بار چربی پوست را به خصوص در پوستهاي آسیب دیده که بار طبیعی چربی آن به دلیل عوامل خارجی مانند سرما، خشکی هوا، استفاده نامناسب از مواد شوینده و یا عوامل داخلی مانند افزایش سن و نوع تغذیه کاهش یافته است، تقویت کند. نسبت فاز آب و روغن نمیتواند تعیین کننده نوع امولسیون باشد.

مثلا در یک امولسیون شامل ۱۵ %روغن و ۷۵ %آب حتماً امولسیون O/W ایجاد نمیشود. عامل بسیار مهم در تعیین نوع امولسیون انتخاب امولسیفایر است. (در قسمت انتخاب امولسیفایر بر اساس نوع امولسیون توضیح داده میشود.)

خواص مهم امولسیونها

دو خاصیت مهم در امولسیونها پایداري و رئولوژي میباشد. پایداري یک امولسیون به مدت زمانی که میتواند قابل فروش و عرضه در بازار باشد نسبت داده میشود.

روشن است مصرف کنندگان کرمی که آب و روغن آن از هم جدا شده است را خریداري نمیکنند. بنابراین پایداري یک امولسیون در مدت زمان قابل مصرف ذکر شده روي آن بسیار مهم است.

احساس یک امولسیون پس از مصرف بر روي پوست، توسط پارامتر رئولوژي بیان می شود. نوع بافت یک امولسیون میتواند به صورت کرمی، لوسیون، اسپري باشد.

پایداري امولسیونها

تستهاي پایداري یک امولسیون به صورت ذیل میباشد:
۱ -پایداري حرارتی
۲ -پایداري برودتی
۳ -پایداري سیکل
۴ -پایداري مکانیکی
۵ -پایداري نوري
۶ -پایداري بسته بندي

۱- پایداري حرارتی

یکی از آزمونهاي مهم در پایداري امولسیونها پایداري حرارتی است. افزایش هر C°۱۰ میتواند سرعت وقوع هر واکنش احتمالی را تا دو برابر افزایش دهد.

بنابراین انتخاب دماي بالا جهت آزمایش پایداري حرارتی میتواند پایداري یک محصول را در مدت زمان طولانی پیشبینی کند. به صورت متعارف اگر یک محصول در دماي C° ۴۵ براي سه ماه پایدار باشد میتوان گفت در دماي معمولی اتاق براي دو سال میتواند پایدار باشد.

البته یک محصول به صورت شاهد در دماي C °۲۵ براي یک سال باید نگهداري شود، و در این مدت تغییري در شکل ظاهري آن ایجاد نگردد. در دماي C °۴۵ هر گونه تغییر در پایداري امولسیون، رنگ و بو قابل بررسی است.

برخی از شرکتهاي تولید کننده ممکن است محصول خود را در دماي C °۵۰ حتی C °۵۵ در سه ماه بررسی کنند. وقتی دما بالا میرود ممکن است به نقطه ذوب برخی از مواد مانند فتی الکلها (استئاریل و ستیل الکل) که جهت پایداري امولسیون استفاده میشوند، نزدیک شد و این مسئله سبب میشود قبل از رسیدن به موعد مقرر سه ماه محصول ناپایدار گردد.

لذا دماي C °۴۵ به مدت سه ماه جهت بررسی پایداري حرارتی مناسب است. واحد تحقیق و توسعه گروه بهداشتی فیروز ۱۲

۲- پایداري برودتی

امولسیون باید تا دماي C °۱۰ -در مدت سه ماه پایدار باشد و تغییري در شکل ظاهري آن دیده نشود، به صورت متعارف امولسیون در یخچال در دماي C °۴ -به مدت سه ماه نگهداري میشود. پس از سه ماه نباید تغییري در شکل ظاهري آن ایجاد گردد.

۳- پایداري سیکل

در این آزمایش یک امولسیون تحت شوك (استرس) دمایی قرار میگیرد. محصول به مدت ۲۴ ساعت در دماي C °۵ -قرار میگیرد. سپس به دماي معمولی اتاق میرسد و در دماي C° ۴۵ به مدت ۲۴ ساعت قرار میگیرد.

این دو روز متوالی را یک سیکل تشکیل میدهد. اگر یک امولسیون ۳ سیکل را بگذراند و پایدار باشد با یک درجه اطمینان خوب میتوان گفت امولسیون پایدار است.

جهت دقت بیشتر لازم است محصول ۵ سیکل را در دماي مذکور بگذراند. پیشنهاد میگردد جهت استرس شدید از دماي C °۴۵ مسقیم در دماي C °۵ -گذاشته شود. با توجه به آن که قطرات امولسیون تمایل به جدا شدن دارند بنابراین اگر امولسیون ناپایدار باشد قرار دادن آن در این شوك شدید دمایی میتواند سبب جدایی دو فاز شود.

۴- پایداري مکانیکی

مواد تشکیل دهنده یک امولسیون داراي جرم حجمیهاي متفاوت هستند. مواد موجود در فاز آبی جرم حجمی gr/cm3 1 یا بیشتر از cm/gr 3 1 دارند و مواد موجود در فاز روغن جرم حجمی کمتري حدود cm/gr 3 – ۰/۹ ۸/۰ دارند، لذا فاز داخلی در یک امولسیون O/W و فاز خارجی در یک امولسیون W/O تمایل به جداشدن، متراکم شدن و تشکیل یک لایه روغن روي سطح امولسیون را دارد، این پدیده کرمی شدن نام دارد.

پدیده کرمی شدن یکی از اولین نشانههاي ناپایداري امولسیون است که باید به طور جدي مورد توجه قرار گیرد. آزمایش مناسب براي پیشبینی پدیده کرمی شدن استفاده از نیروي گریز از مرکز در دستگاه سانتریفوژ است. جهت انجام آزمایش، امولسیون به مقدار کم (جهت مشاهده بهتر در صورت جدایی دو فاز) در لوله آزمایش به مدت ۳۰ دقیقه در سرعت ۴۰۰۰ دور در دقیقه قرار میگیرد.

اگر امولسیون توانایی نگه داشتن مواد موجود در خود را داشته باشد، هیچ گونه جدایی دو فاز مشاهده نمیشود. سپس این لوله آزمایش در دماي C °۴۵ به مدت سه ماه قرار داده میشود اگر امولسیون در این شوك مکانیکی همراه با دماي بالا دو فاز نگردد، ضریب اطمینان خوبی جهت پایداري محصول در مدت زمان قید شده (روي محصول) میباشد.

۵- پایداري نوري

با توجه به اثرات زیانبار نور خورشید بر روي بدن انسان، ممکن است فرمولاسیون یک امولسیون نیز به اشعه UV حساس باشد. لذا همه محصولات باید در ظروف شیشه اي و ظرف بسته بندي تجاري مورد نظر در معرض نور خورشید قرار گیرند.

در اغلب موارد بی رنگ شدن محصول و در برخی موارد بیرنگ شدن ظرف بسته بندي اتفاق میافتد. این بیرنگ شدن ممکن است به دلیل نوع اسانس و یا بعضی مواد حساس به اشعه UV موجود در فرمول باشد.

۶- پایداري بسته بندي

تستهاي پایداري یک امولسیون ممکن است، در یک لوله آزمایش با درب کاملا بسته انجام شود و مشکلی وجود نداشته باشد ولی در ظرف اصلی (ظرف محصول جهت فروش) پایداريهاي آن قابل قبول نباشد.

به این دلیل آزمایشهاي پایداري باید در ظرف شیشهاي و ظرف بسته بندي مورد نظر توام انجام شود. در این صورت با مشاهده ناپایداري میتوان تشخیص داد که ناپایداري مربوط به فرمولاسیون و یا مربوط به نوع بسته بندي است.

همچنین ارزیابی کاهش وزن در ظرف بسته بندي مورد نظر یکی از مهمترین آزمایشهایی است که باید انجام شود. این آزمایش در دماي معمولی اتاق و در دماي C °۴۵ به مدت سه ماه انجام میگیرد. کاهش وزن محصول نباید بیشتر از ماه/۱ %جهت یک بسته بندي تجاري قابل قبول باشد.

عوامل موثر بر رئولوژي امولسیون (emulsion)

رئولوژي جزء خواصی از امولسیون است که میتواند توسط عوامل زیر کنترل شود:

۱ -غلظت فاز پخش شونده یا فاز داخلی

در امولسیون اگر غلظت فاز داخلی امولسیون، در واقع غلظت (حجم) روغن در امولسیون O/W و غلظت (حجم) آب در امولسیون W/O افزایش یابد، ویسکوزیته امولسیون زیاد میشود.

۲ -اندازه ذرات فاز پخش شونده یا فاز داخلی در امولسیونهاي W/O

دریک امولسیونO/W اگر اندازه ذرات فاز پخش شونده کوچک شود ویسکوزیته امولسیون زیاد میشود. در امولسیونهاي O/W اگر در فاز روغن، ذرات با اندازه درشت جایگزین ذرات با اندازه ریز شوند و حجم فاز روغن ثابت نگه داشته شود، ویسکوزیته کاهش مییابد.

۳ -ویسکوزیته فاز پیوسته یا خارجی

اگر ویسکوزیته فاز خارجی افزایش یابد، ویسکوزیته امولسیون نیز زیاد میشود. استفاده از روغن هایی با ویسکوزیته بالا در فاز خارجی یک امولسیون W/O ،سبب افزایش ویسکوزیته فاز خارجی (فاز روغن) و در نتیجه افزایش ویسکوزیته امولسیون میشود.

به عنوان مثال در یک امولسیون W/O با جایگزین نمودن یک روغن با ویسکوزیته کمتر مانند myristate Isopropyl به جاي یک روغن با ویسکوزیته بالاتر مانند پارافین مایع در فاز روغن (با ثابت نگه داشتن حجم فاز روغن) ویسکوزیته امولسیون کاهش مییابد.

۴ -طبیعت و غلظت سیستم امولسیفایر کنندگی

بعضی از امولسیفایرها خاص بافتهاي لوسیونی هستند و امولسیونهایی با ویسکوزیته کم ایجاد میکنند و بعضی دیگر امولسیونهایی با ویسکوزیته بالاتر و به صورت کرمی ایجاد مینمایند که این اثر میتواند جزء طبیعت یک امولسیفایر باشد.

همچنین وجود یا عدم وجود غلظت دهندهها، مواد ژل کننده و واکسها بر ویسکوزیته امولسیون موثر است. این مواد به عنوان مواد اصلاح کننده رئولوژي تاثیر خوبی بر روي رئولوژي امولسیون دارند. مانند زانتان گام، کربوکسی متیل سلولز.

منبع: واحد تحقیق و توسعه گروه بهداشتی فیروز