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把它们维系在一起:乳剂、混悬剂与泡沫

本系列的一切在此汇合:界面科学究竟如何稳定分散体系、如何按所需HLB选择和搭配乳化剂、乳剂为何失败,以及泡沫在哪些场合有益或有害。

分散体系为何总想散开

把油打散成分散在水中的数百万个微小液滴,你就创造出极大量的新的油水界面。这界面的每一平方米都储存着能量,其大小由界面张力决定。自然界想要释放这份能量,于是液滴相互靠拢、并回成更少更大的液滴——最终成为两层清晰的相。因此,乳剂本质上是热力学不稳定的;我们在配方工作中的任务,是让它在足够长的时间内足够稳定。

乳化剂从两条战线上对抗这一点。第一,通过吸附在液滴表面,它降低界面张力,使单位面积储存的能量减少、合并的驱动力变小。第二——同样重要——这些吸附的分子在每个液滴周围形成一层坚韧而连贯的界面膜,这是一道力学的、往往也是电学的屏障,阻止液滴相互接触并融合。

选择乳化剂:所需HLB

每一种油都有一个所需HLB——即对给定乳剂类型能最好地稳定它的乳化剂的HLB值。为了命中它,配方师很少只用一种表面活性剂;他们会把一种低HLB和一种高HLB的表面活性剂混合。混合物的HLB就是两者按质量分数的加权平均,所以你几乎可以调出任何数值。混合物往往还能形成比单一表面活性剂更致密、更坚固的界面膜。

Worked HLB blend: target an o/w cream, required HLB = 12

Available surfactants:
  Span 60  (sorbitan stearate)  HLB = 4.7
  Tween 60 (polysorbate 60)     HLB = 14.9

Let x = mass fraction of Tween 60 (high-HLB):
  4.7(1 - x) + 14.9(x) = 12
  4.7 + 10.2 x          = 12
  10.2 x                = 7.3
  x                     = 0.716

So, per 5 g of total emulsifier:
  Tween 60 = 0.716 x 5 = 3.58 g
  Span 60  = 1.42 g
  -> blend HLB = 12.0  (matches the oil)

Rule of thumb on type:
  blend HLB  8-18  -> oil-in-water (o/w)
  blend HLB  3-6   -> water-in-oil (w/o)
调配两种表面活性剂以命中油的所需HLB。

乳剂如何失败——以及泡沫的角色

  1. 乳析——液滴在重力下上浮(或下沉)聚成浓集层,但仍各自分开。乳析是可逆的:轻轻摇匀即可重新分散。它有碍观瞻,但并非致命。
  2. 聚结——液滴的界面膜破裂,真正融合成更大的液滴。聚结是不可逆的,是真正的乳剂破坏;放任不管最终会分成两层(破乳)。
  3. 转相——水包油乳剂翻转成油包水(或反之),常发生在温度或相比越过临界点时。

同样的界面膜思路也适用于泡沫——气泡分散在液体中,由表面活性剂膜稳定气泡之间薄薄的液壁。泡沫可以是想要的(剃须泡沫、药用气雾剂、提示剂量的起泡糖浆),也可以是非常不想要的(高速混合或灌装时的泡沫会拖慢生产并损害剂量准确性)。当泡沫成为麻烦时,一种消泡剂——一种低HLB、极亲油的表面活性剂,如西甲硅油——会在气泡膜上铺展、使其失稳,让泡沫破灭。