اگر با ناپایداری امولسیون در تولید مواد شوینده مواجه هستید، این ترکیبات را بررسی کنید

در تولید مواد شوینده پایداری امولسیون‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌ها محسوب می‌شود زیرا امولسیون‌ها مخلوط‌هایی از دو مایع غیرقابل امتزاج مانند آب و روغن هستند که یکی به صورت قطرات ریز در دیگری پراکنده شده است. پایداری این سیستم‌ها برای حفظ کیفیت ظاهر و عملکرد محصول نهایی اهمیت بالایی دارد و ناپایداری می‌تواند منجر به جدایش فازها تغییر ویسکوزیته و کاهش اثربخشی شوینده شود. نقش مواد اولیه شیمیایی صنعتی در این فرایند بسیار کلیدی است زیرا هر ماده اولیه از جمله سورفکتانت‌ها پلیمرها الکترولیت‌ها و حتی کیفیت آب می‌تواند بر پایداری امولسیون تأثیرگذار باشد.

سورفکتانت‌ها به عنوان مواد فعال سطحی ستون فقرات فرمولاسیون شوینده‌ها هستند و با کاهش کشش بین سطحی و ایجاد لایه پایدار اطراف قطرات از به هم پیوستن آن‌ها جلوگیری می‌کنند. انتخاب نوع سورفکتانت (آنیونیک نانیونیک کاتیونیک یا آمفوتریک) و مقدار مناسب آن اهمیت زیادی دارد. همچنین غلظت‌دهنده‌ها و پلیمرها با افزایش ویسکوزیته فاز آبی حرکت قطرات روغن را کند کرده و به پایداری کمک می‌کنند. الکترولیت‌ها (مانند نمک‌ها) می‌توانند با کاهش دافعه الکترواستاتیک بین قطرات پایداری امولسیون را کاهش دهند بنابراین کنترل میزان آن‌ها در فرمولاسیون ضروری است.

کیفیت آب مصرفی نیز اهمیت دارد؛ یون‌های سختی مانند کلسیم و منیزیم می‌توانند با سورفکتانت‌ها واکنش داده و کارایی آن‌ها را کاهش دهند. استفاده از آب نرم یا افزودن عوامل کلات‌کننده توصیه می‌شود. در نهایت آزمایش‌های پایداری تسریع‌شده و نگهداری طولانی‌مدت برای ارزیابی عملکرد مواد اولیه شیمیایی صنعتی و تضمین کیفیت محصول نهایی ضروری است

اگر با ناپایداری امولسیون در تولید مواد شوینده مواجه هستید این ترکیبات را بررسی کنید

تولید مواد شوینده فرآیندی پیچیده است که نیازمند دقت و دانش فنی بالایی است. یکی از چالش های رایج که تولیدکنندگان با آن روبرو می شوند ناپایداری امولسیون است. امولسیون ها مخلوط های ناهمگنی از دو مایع غیرقابل امتزاج (مانند آب و روغن) هستند که یکی به صورت قطرات ریز در دیگری پراکنده شده است. پایداری این سیستم ها برای حفظ کیفیت ظاهر و عملکرد محصول نهایی حیاتی است. یک امولسیون ناپایدار می تواند منجر به جدایش فازها تغییر ویسکوزیته ظاهر نامطلوب و در نهایت کاهش اثربخشی ماده شوینده شود.

در فرمولاسیون مواد شوینده امولسیون ها اغلب برای پایدار کردن عطرها (که معمولاً روغنی هستند) سیلیکون ها روغن های نرم کننده یا ذرات جامد نامحلول استفاده می شوند. دستیابی به یک امولسیون پایدار به معنی حفظ یکنواختی توزیع این اجزا در طول زمان و تحت شرایط مختلف نگهداری است. ناپایداری می تواند در طول فرآیند تولید بسته بندی حمل و نقل یا حتی پس از رسیدن به دست مصرف کننده رخ دهد.

شناسایی علت دقیق ناپایداری امولسیون نیازمند درک عمیقی از برهم کنش بین اجزای مختلف فرمولاسیون است. هر ماده اولیه از سورفکتانت ها و پلیمرها گرفته تا الکترولیت ها و حتی کیفیت آب می تواند بر پایداری سیستم تأثیر بگذارد. این مقاله به شما کمک می کند تا با بررسی دقیق ترکیبات کلیدی در فرمولاسیون ماده شوینده خود ریشه مشکل ناپایداری امولسیون را پیدا کرده و راهکارهای مؤثری برای حل آن بیابید. ما به بررسی نقش هر دسته از مواد اولیه مکانیسم تأثیرگذاری آن ها بر پایداری و نکات مهمی که باید هنگام انتخاب و استفاده از آن ها مد نظر قرار دهید خواهیم پرداخت تا بتوانید محصولاتی با پایداری و کیفیت عالی تولید کنید.

درک امولسیون ها در مواد شوینده

قبل از پرداختن به دلایل ناپایداری لازم است درک درستی از ماهیت امولسیون ها و نقش آن ها در فرمولاسیون مواد شوینده داشته باشیم. امولسیون ها سیستم های کلوئیدی ترمودینامیکی ناپایدار هستند به این معنی که به طور طبیعی تمایل به جدایی فازها دارند تا به حالت پایدارتر (جدایی کامل مایعات) برسند. نقش فرمولاتور کند کردن یا متوقف کردن این فرآیند با استفاده از ترکیبات خاصی به نام امولسیفایرها و پایدارکننده ها است.

امولسیون چیست؟

امولسیون مخلوطی از دو مایع غیرقابل اختلاط یا کم اختلاط است که در آن یکی از مایعات (فاز پراکنده) به صورت قطرات بسیار ریز در مایع دیگر (فاز پیوسته) پراکنده شده است. برای مثال مخلوط آب و روغن یک امولسیون ایجاد می کند به شرطی که نیروی مکانیکی کافی برای شکستن یکی از فازها به قطرات ریز و پراکنده کردن آن در فاز دیگر اعمال شود. بدون حضور ماده ای که این قطرات ریز را پایدار نگه دارد به سرعت دوباره به هم می پیوندند و فازها جدا می شوند.

در مواد شوینده معمول ترین نوع امولسیون امولسیون روغن در آب (O/W) است. در این نوع فاز روغنی (مانند عطر یا سیلیکون) به صورت قطرات ریز در فاز آبی (آب و سایر اجزای محلول در آب) پراکنده شده است. این نوع امولسیون معمولاً ظاهری شیری یا کدر دارد مگر اینکه اندازه قطرات بسیار کوچک باشد (میکروامولسیون ها که شفاف هستند ولی فرمولاسیون پیچیده تری دارند).

چرا از امولسیون ها در مواد شوینده استفاده می شود؟

استفاده از امولسیون ها در فرمولاسیون مواد شوینده دلایل متعددی دارد:

• یکنواختی توزیع: برای اطمینان از توزیع یکنواخت اجزای نامحلول یا کم محلول مانند عطر سیلیکون ها روغن های نرم کننده یا مواد فعال خاص در کل محصول.
• بهبود ظاهر: برخی محصولات شوینده به ظاهر شیری یا کرمی نیاز دارند که از طریق امولسیون ایجاد می شود.
• افزایش کارایی: توزیع ریز اجزای فعال می تواند دسترسی آن ها به سطح مورد نظر (مانند پارچه یا سطح سخت) را بهبود بخشد.
• امکان افزودن ترکیبات خاص: برخی ترکیبات مفید (مانند برخی نرم کننده ها یا عوامل محافظت کننده) ماهیت روغنی دارند و برای افزودن آن ها به پایه آبی ماده شوینده نیاز به امولسیون کردن است.

بدون امولسیون پایدار این اجزای مهم در محصول ته نشین شده شناور شده یا به هم می پیوندند و محصول از یکنواختی خارج می شود که این برای مصرف کننده قابل قبول نیست.

انواع رایج امولسیون ها در مواد شوینده

همانطور که اشاره شد رایج ترین نوع امولسیون در شوینده های مایع امولسیون روغن در آب (O/W) است. این نوع امولسیون در محصولاتی مانند شوینده های لباس مایع شامپوها مایعات ظرفشویی حاوی نرم کننده یا سیلیکون و برخی پاک کننده های سطوح استفاده می شود. در این سیستم آب فاز پیوسته و روغن فاز پراکنده است.

نوع دیگر امولسیون آب در روغن (W/O) است که در آن آب به صورت قطرات ریز در فاز روغنی پراکنده شده است. این نوع امولسیون کمتر در شوینده های معمول دیده می شود و بیشتر در محصولاتی با فاز روغنی غالب مانند برخی پاک کننده های صنعتی یا محصولات مراقبت شخصی با پایه روغنی کاربرد دارد. در این مقاله تمرکز اصلی ما بر امولسیون های O/W است که چالش اصلی در فرمولاسیون شوینده های رایج هستند.

نشانه ها و علل ناپایداری امولسیون در مواد شوینده

ناپایداری امولسیون می تواند به روش های مختلفی خود را نشان دهد و درک این نشانه ها اولین گام در تشخیص مشکل است. پس از مشاهده ناپایداری باید به دنبال علل فیزیکی و شیمیایی آن در فرمولاسیون گشت.

نشانه های بصری ناپایداری

ناپایداری امولسیون معمولاً به صورت تغییرات قابل مشاهده در ظاهر محصول رخ می دهد:

• خامه گیری (Creaming): تجمع قطرات فاز پراکنده در بالای امولسیون در حالی که فاز پیوسته در پایین باقی می ماند. این شبیه به جدا شدن خامه از شیر است. این فرآیند برگشت پذیر است و با هم زدن مجدد امولسیون ممکن است دوباره یکنواخت شود اما نشانه ناپایداری است.
• ته نشینی (Sedimentation): عکس خامه گیری که در آن قطرات فاز پراکنده (اگر چگالی بیشتری داشته باشند) در پایین ظرف ته نشین می شوند. این نیز ممکن است برگشت پذیر باشد.
• لخته شدن (Flocculation): تجمع قطرات فاز پراکنده به صورت خوشه ها یا لخته های بزرگتر بدون اینکه غشای بین قطرات از بین برود. این فرآیند معمولاً برگشت پذیر است اما می تواند پیش ساز پدیده های جدی تر باشد.
• به هم پیوستن (Coalescence): ادغام قطرات کوچک فاز پراکنده برای تشکیل قطرات بزرگتر. این فرآیند منجر به کاهش تعداد قطرات و افزایش اندازه متوسط آن ها می شود. این فرآیند معمولاً برگشت ناپذیر است و نشانه جدی ناپایداری است.
• جدایش فاز (Phase Separation / Breaking): کامل ترین شکل ناپایداری که در آن دو فاز مایع به طور کامل از یکدیگر جدا می شوند و دو لایه مجزا قابل مشاهده است. این فرآیند معمولاً برگشت ناپذیر است و محصول غیرقابل استفاده می شود.

مشاهده هر یک از این نشانه ها به خصوص لخته شدن به هم پیوستن و جدایش فاز زنگ خطری برای فرمولاتور است و نیازمند بررسی دقیق ترکیبات است.

مکانیسم های فیزیکی ناپایداری

ناپایداری امولسیون نتیجه برهم کنش نیروهای مختلف در سیستم است:

• کشش سطحی و بین سطحی: تمایل طبیعی مایعات به کاهش سطح تماس خود با فاز دیگر. این تمایل باعث می شود قطرات کوچک به هم بپیوندند و سطح کل کاهش یابد. سورفکتانت ها با کاهش کشش بین سطحی انرژی لازم برای تشکیل امولسیون را کاهش می دهند و با ایجاد یک لایه پایدار در اطراف قطرات از به هم پیوستن آن ها جلوگیری می کنند.
• نیروهای گرانشی: تفاوت چگالی بین فاز پراکنده و فاز پیوسته باعث می شود قطرات فاز پراکنده تحت تأثیر گرانش (یا نیروی سانتریفیوژ در تست های تسریع شده) حرکت کنند. اگر فاز پراکنده چگالی کمتری داشته باشد به سمت بالا حرکت می کند (خامه گیری) و اگر چگالی بیشتری داشته باشد به سمت پایین حرکت می کند (ته نشینی). ویسکوزیته فاز پیوسته می تواند سرعت این حرکت را کاهش دهد.
• نیروهای بین ذره ای (الکترواستاتیک واندروالسی): قطرات امولسیون ممکن است دارای بار سطحی باشند. نیروهای دافعه الکترواستاتیک بین قطرات هم بار می تواند از نزدیک شدن بیش از حد و به هم پیوستن آن ها جلوگیری کند (پایداری الکترواستاتیک). از طرف دیگر نیروهای جاذبه واندروالسی همواره بین قطرات وجود دارند و تمایل به چسباندن آن ها به یکدیگر دارند. تعادل این نیروها برای پایداری امولسیون حیاتی است.
• ویسکوزیته فاز پیوسته: افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته می تواند حرکت قطرات (خامه گیری یا ته نشینی) و همچنین فرکانس برخورد بین آن ها را کاهش دهد که به نوبه خود سرعت لخته شدن و به هم پیوستن را کم می کند.

عوامل محیطی و فرمولاسیونی مؤثر بر پایداری

علاوه بر مکانیسم های فیزیکی ذاتی عوامل خارجی و داخلی نیز بر پایداری امولسیون تأثیر می گذارند:

• دما: تغییرات دما می تواند بر ویسکوزیته حلالیت کشش بین سطحی و حتی ساختار لایه امولسیفایر در اطراف قطرات تأثیر بگذارد. دماهای بالا معمولاً سرعت ناپایداری را افزایش می دهند. چرخه های دما (انجماد و ذوب یا نوسانات حرارتی) می توانند به طور فیزیکی ساختار امولسیون را تخریب کنند.
• pH: تغییر pH می تواند بار سطحی قطرات و همچنین ساختار و کارایی سورفکتانت ها و پلیمرهای حساس به pH را تغییر دهد.
• الکترولیت ها (نمک ها): حضور نمک ها می تواند بار سطحی قطرات را خنثی کرده (کاهش پایداری الکترواستاتیک) یا بر ساختار و حلالیت سورفکتانت ها و پلیمرها تأثیر بگذارد.
• تنش برشی: هم زدن شدید یا پمپ کردن نامناسب محصول در طول تولید یا بسته بندی می تواند باعث شکستن امولسیون شود.
• زمان: ناپایداری فرآیندی وابسته به زمان است. حتی امولسیون های نسبتاً پایدار نیز ممکن است پس از مدت زمان طولانی ناپایدار شوند.
• اندازه اولیه قطرات: امولسیون هایی با قطرات کوچکتر (مثلاً زیر 1 میکرون) معمولاً پایدارتر از امولسیون هایی با قطرات بزرگتر هستند زیرا سطح بین سطحی کمتری دارند و حرکت براونی قطرات کوچک می تواند بر نیروهای گرانشی غلبه کند.

با درک این عوامل می توانیم به بررسی دقیق تر ترکیبات فرمولاسیون بپردازیم و نقش هر یک را در پایداری یا ناپایداری امولسیون تحلیل کنیم.

ترکیبات کلیدی برای بررسی در مواجهه با ناپایداری امولسیون

هنگامی که با مشکل ناپایداری امولسیون در تولید مواد شوینده روبرو می شوید لازم است نگاهی دقیق و سیستماتیک به تمام اجزای فرمولاسیون خود داشته باشید. هر ماده اولیه می تواند به نحوی بر پایداری سیستم تأثیر بگذارد. در این بخش به بررسی مهم ترین دسته های ترکیبات و نقش آن ها در پایداری امولسیون می پردازیم:

سورفکتانت ها: پایدارکننده های اولیه

سورفکتانت ها (مواد فعال سطحی) ستون فقرات هر فرمولاسیون شوینده هستند و نقش حیاتی در تشکیل و پایداری امولسیون ایفا می کنند. آن ها با کاهش کشش بین سطحی آب و روغن تشکیل قطرات ریز را آسان می کنند و با ایجاد یک لایه فیزیکی و/یا بار الکتریکی در اطراف قطرات از به هم پیوستن آن ها جلوگیری می کنند.

نقش سورفکتانت ها در امولسیون سازی و پایداری

مولکول های سورفکتانت دارای یک سر آب دوست (هیدروفیل) و یک دم چربی دوست (لیپوفیل/هیدروفوب) هستند. در یک سیستم آب-روغن آن ها در فصل مشترک (بین سطح) بین دو فاز قرار می گیرند به طوری که قسمت آب دوست در فاز آبی و قسمت چربی دوست در فاز روغنی قرار می گیرد. این تجمع در بین سطح باعث کاهش کشش بین سطحی می شود.

پس از تشکیل قطرات فاز پراکنده توسط انرژی مکانیکی سورفکتانت ها به سرعت اطراف این قطرات را پوشانده و یک لایه پایدار تشکیل می دهند. این لایه سورفکتانت مانع از نزدیک شدن بیش از حد قطرات به یکدیگر و ادغام آن ها می شود. پایداری ایجاد شده توسط سورفکتانت ها می تواند از طریق دو مکانیسم اصلی باشد: پایداری الکترواستاتیک (در سورفکتانت های یونی که بار سطحی ایجاد می کنند) و پایداری فضایی (Steric Stabilization) که توسط حجم و ساختار لایه سورفکتانت ایجاد می شود.

مقدار HLB و اهمیت آن

HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) یک عدد تجربی است که آب دوستی یا چربی دوستی نسبی یک سورفکتانت را نشان می دهد. سورفکتانت هایی با HLB پایین (حدود 3-6) بیشتر چربی دوست هستند و برای تشکیل امولسیون های آب در روغن (W/O) مناسب اند. سورفکتانت هایی با HLB بالا (حدود 8-18) بیشتر آب دوست هستند و برای تشکیل امولسیون های روغن در آب (O/W) مناسب اند که رایج ترین نوع در شوینده ها است.

انتخاب سورفکتانت یا ترکیبی از سورفکتانت ها با HLB مناسب برای فاز روغنی مورد نظر برای دستیابی به امولسیون پایدار حیاتی است. هر فاز روغنی (مانند نوع خاصی از عطر یا سیلیکون) دارای یک HLB مورد نیاز (Required HLB) برای امولسیون شدن مؤثر است. تطابق HLB سیستم سورفکتانت با Required HLB فاز روغنی شانس موفقیت را افزایش می دهد.

انتخاب نوع سورفکتانت (آنیونیک نانیونیک کاتیونیک آمفوتریک)

نوع گروه سر آب دوست سورفکتانت رفتار آن را در فرمولاسیون شوینده تعیین می کند:

• سورفکتانت های آنیونیک: دارای بار منفی (مانند سدیم لوریل سولفات – SLS سدیم لورت سولفات – SLES). شوینده های قوی هستند و کف فراوان تولید می کنند. در پایداری امولسیون بار منفی قوی آن ها دافعه الکترواستاتیک بین قطرات ایجاد می کند. با این حال به الکترولیت ها و سختی آب بسیار حساس هستند و در حضور آن ها ممکن است رسوب کرده یا کارایی خود را از دست بدهند.
• سورفکتانت های نانیونیک: بدون بار الکتریکی (مانند اتوکسیلات های الکل چرب آلکیل پلی گلیکوزیدها – APGs). حساسیت کمتری به سختی آب و الکترولیت ها دارند و اغلب برای بهبود پایداری امولسیون در حضور نمک ها استفاده می شوند. پایداری را عمدتاً از طریق مکانیسم فضایی ایجاد می کنند.
• سورفکتانت های کاتیونیک: دارای بار مثبت (مانند نمک های آمونیوم چهارتایی). عمدتاً به عنوان نرم کننده پارچه یا عوامل ضدعفونی کننده استفاده می شوند. به دلیل بار مخالف با سورفکتانت های آنیونیک سازگار نیستند و مخلوط کردن آن ها معمولاً منجر به تشکیل کمپلکس های نامحلول و شکستن امولسیون می شود.
• سورفکتانت های آمفوتریک: دارای هر دو بار مثبت و منفی که بسته به pH محیط می توانند رفتار آنیونیک یا کاتیونیک داشته باشند (مانند کوکامیدوپروپیل بتائین). معمولاً برای بهبود کف کنندگی ملایمت و پایداری فرمولاسیون استفاده می شوند و سازگاری خوبی با سورفکتانت های آنیونیک و نانیونیک دارند.

در فرمولاسیون شوینده معمولاً از ترکیبی از سورفکتانت ها استفاده می شود. انتخاب ترکیب مناسب (مثلاً آنیونیک و نانیونیک) می تواند سینرژیسم (هم افزایی) در امولسیون سازی و پایداری ایجاد کند. ناسازگاری بین انواع سورفکتانت ها (به خصوص آنیونیک و کاتیونیک) یکی از دلایل اصلی ناپایداری است.

غلظت و نسبت سورفکتانت ها

غلظت کل سورفکتانت ها و نسبت آن ها به فاز روغنی و همچنین نسبت سورفکتانت های مختلف در مخلوط همگی بر پایداری امولسیون تأثیر می گذارند. استفاده از مقدار ناکافی سورفکتانت منجر به پوشش ناکامل قطرات و به هم پیوستن آن ها می شود. استفاده از مقدار بیش از حد نیز ممکن است مشکلاتی ایجاد کند مانند افزایش حلالیت فاز روغنی در فاز آبی (اگرچه این می تواند پایدارکننده باشد) یا ایجاد ساختارهای پیچیده مایع کریستالی که بر ویسکوزیته و پایداری تأثیر می گذارند.

نسبت بهینه سورفکتانت ها معمولاً از طریق آزمایش و خطا یا با استفاده از مفاهیمی مانند HLB گروهی (Group HLB) برای مخلوط سورفکتانت ها تعیین می شود.

اصلاح کننده های ویسکوزیته و غلظت دهنده ها

ویسکوزیته فاز پیوسته (فاز آبی) نقش مهمی در پایداری امولسیون ایفا می کند. غلظت دهنده ها با افزایش ویسکوزیته حرکت قطرات فاز پراکنده را کند کرده و سرعت خامه گیری یا ته نشینی را کاهش می دهند. همچنین ویسکوزیته بالا می تواند برخورد بین قطرات را کمتر کرده و به کاهش سرعت لخته شدن و به هم پیوستن کمک کند.

چگونگی تأثیر ویسکوزیته بر پایداری امولسیون

بر اساس قانون استوکس سرعت حرکت یک ذره در یک سیال متناسب با اختلاف چگالی بین ذره و سیال مربع شعاع ذره و گرانش است و با ویسکوزیته سیال نسبت عکس دارد. افزایش ویسکوزیته (η) به طور مستقیم سرعت خامه گیری یا ته نشینی (v) را کاهش می دهد:

v = (2 * r² * Δρ * g) / (9 * η)

که در آن r شعاع قطره Δρ اختلاف چگالی و g شتاب گرانش است. بنابراین افزایش ویسکوزیته راهی مؤثر برای بهبود پایداری امولسیون در برابر جدایش ناشی از گرانش است.

غلظت دهنده های رایج مورد استفاده

انواع مختلفی از غلظت دهنده ها در فرمولاسیون مواد شوینده استفاده می شوند که می توانند ماهیت پلیمری یا غیرپلیمری داشته باشند:

• هیدروکلوئیدهای طبیعی یا اصلاح شده: مانند صمغ زانتان (Xanthan Gum) کربوکسی متیل سلولز (CMC) هیدروکسی اتیل سلولز (HEC). این پلیمرهای آب دوست با جذب آب و ایجاد شبکه های پلیمری ویسکوزیته فاز آبی را افزایش می دهند. صمغ زانتان به دلیل رفتار شبه پلاستیک (Pseudoplastic) خود در شوینده ها محبوب است؛ در حالت سکون ویسکوزیته بالایی دارد (جلوگیری از ته نشینی) و هنگام ریختن رقیق می شود (سهولت استفاده).
• پلیمرهای سنتتیک: مانند کربومرها (Carbomers) – پلیمرهای اسید اکریلیک که با خنثی سازی متورم شده و ویسکوزیته را افزایش می دهند. پلیمرهای آسوسیاتیو مانند HASE (Hydrophobically modified Alkali-Soluble Emulsions) یا HEUR (Hydrophobically modified Ethoxylated Urethanes) که با تشکیل شبکه های فیزیکی از طریق برهم کنش بخش های هیدروفوب با خودشان یا با مایسل های سورفکتانت ویسکوزیته را افزایش می دهند.
• غلظت دهنده های معدنی: مانند هکتوریت ها یا بنتونیت ها (خاک رس های اصلاح شده) که با جذب آب متورم شده و ساختار ژل مانند ایجاد می کنند.

انتخاب نوع غلظت دهنده به نوع شوینده pH حضور الکترولیت ها و نوع سورفکتانت ها بستگی دارد زیرا سازگاری بین این اجزا برای دستیابی به ویسکوزیته و پایداری مطلوب ضروری است.

تأثیر غلظت دهنده بر پایداری و برهم کنش با سایر اجزا

غلظت غلظت دهنده به طور مستقیم بر ویسکوزیته تأثیر می گذارد. غلظت کم ممکن است ویسکوزیته کافی برای جلوگیری از جدایش گرانشی ایجاد نکند در حالی که غلظت بیش از حد می تواند مشکلاتی در پمپ کردن و ریختن محصول ایجاد کند و همچنین ممکن است بر پایداری امولسیون تأثیر منفی بگذارد (مثلاً با محبوس کردن قطرات و تشویق لخته شدن یا با برهم کنش نامطلوب با سورفکتانت ها).

برهم کنش بین غلظت دهنده ها سورفکتانت ها و الکترولیت ها بسیار مهم است. برخی غلظت دهنده های یونی (مانند کربومرها یا CMC) به شدت تحت تأثیر حضور نمک ها قرار می گیرند؛ نمک ها می توانند بار آن ها را خنثی کرده و باعث کاهش شدید ویسکوزیته شوند. پلیمرهای آسوسیاتیو ممکن است نیاز به حضور سورفکتانت ها برای تشکیل شبکه داشته باشند اما غلظت های بالای سورفکتانت می تواند با رقابت بر سر برهم کنش های هیدروفوب اثر غلظت دهنده را کاهش دهد. ناسازگاری بین غلظت دهنده و سایر اجزا می تواند منجر به جدایی فاز یا ظاهر نامطلوب محصول شود.

الکترولیت ها (نمک ها)

الکترولیت ها به ویژه نمک های معدنی به دلایل مختلفی در فرمولاسیون مواد شوینده وجود دارند: ممکن است به عنوان سازنده (Builder) برای نرم کردن آب به عنوان تنظیم کننده ویسکوزیته (برای برخی سیستم های سورفکتانت) یا به عنوان ناخالصی در مواد اولیه دیگر (مانند سدیم کلرید در سورفکتانت های آنیونیک) حضور داشته باشند. حضور الکترولیت ها می تواند تأثیر قابل توجهی بر پایداری امولسیون داشته باشد.

تأثیر نمک ها بر مایسل های سورفکتانت و امولسیون ها

نمک ها می توانند با کاهش دافعه الکترواستاتیک بین گروه های سر یونی سورفکتانت ها بر تشکیل و ساختار مایسل ها و همچنین لایه سورفکتانت در اطراف قطرات امولسیون تأثیر بگذارند. در مورد سورفکتانت های آنیونیک یون های مثبت نمک (مانند Na+ یا Ca++) می توانند بار منفی سر سورفکتانت را خنثی کرده و لایه دوگانه الکتریکی اطراف قطرات را فشرده کنند. این امر دافعه الکترواستاتیک را کاهش داده و احتمال به هم پیوستن قطرات را افزایش می دهد. این پدیده به ویژه در حضور یون های چندظرفیتی مانند Ca++ و Mg++ (سختی آب) تشدید می شود.

در مورد سورفکتانت های نانیونیک تأثیر نمک ها کمتر مستقیم است اما غلظت های بالای نمک می تواند بر حلالیت آن ها در آب و در نتیجه بر رفتار امولسیون کنندگی و پایداری فضایی تأثیر بگذارد (پدیده Salting Out). برخی نمک ها ممکن است با افزایش قدرت یونی محلول بر دمای ابری شدن (Cloud Point) سورفکتانت های نانیونیک اتوکسیله تأثیر بگذارند که این نیز می تواند پایداری امولسیون را تغییر دهد.

تأثیر بر ویسکوزیته (به خصوص با غلظت دهنده های یونی)

همانطور که قبلاً ذکر شد بسیاری از غلظت دهنده های رایج در شوینده ها مانند کربومرها یا CMC پلیمرهای پلی الکترولیت هستند که ویسکوزیته آن ها به شدت به قدرت یونی محلول بستگی دارد. حضور نمک ها به خصوص نمک های چندظرفیتی می تواند بار این پلیمرها را خنثی کرده و باعث جمع شدن زنجیره های پلیمری و کاهش شدید ویسکوزیته شود. کاهش ویسکوزیته به نوبه خود می تواند منجر به افزایش سرعت خامه گیری/ته نشینی و ناپایداری امولسیون شود.

بنابراین هنگام فرموله کردن با غلظت دهنده های حساس به نمک کنترل سطح الکترولیت ها در فرمولاسیون و همچنین در آبی که برای تولید استفاده می شود (استفاده از آب دیونیزه یا نرم شده) حیاتی است. برخی غلظت دهنده ها مانند صمغ زانتان یا برخی پلیمرهای آسوسیاتیو نانیونیک مقاومت بیشتری در برابر الکترولیت ها دارند.

پلیمرها (فراتر از غلظت دهنده ها)

علاوه بر غلظت دهنده های پلیمری انواع دیگری از پلیمرها نیز ممکن است در فرمولاسیون مواد شوینده حضور داشته باشند مانند پلیمرهای ضد رسوب مجدد (Anti-redeposition polymers) پلیمرهای پراکنده کننده (Dispersants) یا کوپلیمرهای خاص طراحی شده برای پایداری. این پلیمرها می توانند نقش مهمی در پایداری امولسیون ایفا کنند.

نقش پلیمرها به عنوان پایدارکننده های فضایی (Steric Stabilizers)

برخی پلیمرها می توانند در فصل مشترک آب و روغن جذب شده یا به لایه سورفکتانت اطراف قطرات امولسیون متصل شوند. اگر این پلیمرها به اندازه کافی بلند و آب دوست باشند و به داخل فاز پیوسته (آب) گسترش یابند می توانند یک لایه ضخیم و حجیم در اطراف قطرات ایجاد کنند. هنگامی که دو قطره به هم نزدیک می شوند این لایه های پلیمری با یکدیگر برخورد کرده و به دلیل محدودیت فضایی و برهم کنش های اسمزی نیروی دافعه قوی ایجاد می کنند که مانع از به هم پیوستن قطرات می شود. این مکانیسم به عنوان پایداری فضایی شناخته می شود و به ویژه در حضور غلظت های بالای الکترولیت که پایداری الکترواستاتیک را کاهش می دهند مؤثر است.

مثال ها و برهم کنش با سورفکتانت ها

مثال هایی از پلیمرهایی که می توانند به پایداری امولسیون کمک کنند شامل برخی پلی وینیل پیرولیدون ها (PVPs) کوپلیمرهای وینیل پیرولیدون با سایر مونومرها یا پلیمرهای اکریلیک خاص هستند. این پلیمرها اغلب با سورفکتانت ها برهم کنش دارند. این برهم کنش می تواند مثبت (مثلاً تشکیل کمپلکس های پلیمر-سورفکتانت که پایداری را افزایش می دهند) یا منفی (مثلاً رقابت پلیمر و سورفکتانت برای جذب در سطح مشترک) باشد. انتخاب پلیمر مناسب و غلظت آن با توجه به سیستم سورفکتانت موجود در فرمولاسیون بسیار مهم است.

حلال های کمکی (Co-solvents) و هیدروتروپ ها

حلال های کمکی مانند اتانول ایزوپروپانول یا پروپیلن گلیکول و هیدروتروپ ها مانند سدیم زایلن سولفونات (SXS) یا سدیم کومن سولفونات (SCS) اغلب برای افزایش حلالیت ترکیبات کم محلول در فاز آبی شوینده استفاده می شوند. این ترکیبات می توانند بر پایداری امولسیون نیز تأثیر بگذارند.

حلال های کمکی می توانند با تغییر قطبیت فاز پیوسته بر حلالیت فاز پراکنده (فاز روغنی) و همچنین بر رفتار سورفکتانت ها تأثیر بگذارند. در برخی موارد غلظت بالای حلال کمکی می تواند باعث حل شدن بخشی از فاز روغنی در فاز آبی شده و نیاز به امولسیون سازی را کاهش دهد یا ماهیت سیستم را به سمت میکروامولسیون یا محلول میسلار تغییر دهد که معمولاً پایدارتر هستند. با این حال در غلظت های نامناسب ممکن است تعادل HLB سورفکتانت ها را به هم زده و به ناپایداری منجر شوند.

هیدروتروپ ها مولکول هایی هستند که توانایی افزایش حلالیت ترکیبات کم محلول (از جمله سورفکتانت ها و برخی ترکیبات روغنی مانند عطر) در آب را دارند بدون اینکه ساختار میسلار کلاسیک تشکیل دهند. آن ها می توانند با جلوگیری از جدایی فاز در فرمولاسیون های غلیظ یا حاوی مقادیر بالای الکترولیت به پایداری کلی محصول کمک کنند. با این حال انتخاب نوع و غلظت هیدروتروپ باید با دقت انجام شود زیرا ممکن است بر ویسکوزیته و کف کنندگی نیز تأثیر بگذارند.

کیفیت آب

کیفیت آبی که برای تولید ماده شوینده استفاده می شود نقش اساسی در پایداری فرمولاسیون به خصوص امولسیون ها دارد. اصلی ترین مشکل سختی آب ناشی از حضور یون های کلسیم (Ca++) و منیزیم (Mg++) است.

یون های سختی می توانند با سورفکتانت های آنیونیک رسوب تشکیل دهند و کارایی آن ها را به عنوان امولسیفایر به شدت کاهش دهند. همچنین این یون ها می توانند بار منفی قطرات امولسیون (که توسط سورفکتانت های آنیونیک ایجاد شده) را خنثی کرده و منجر به کاهش دافعه الکترواستاتیک و تشویق به هم پیوستن شوند. علاوه بر این یون های سختی می توانند با برخی غلظت دهنده های یونی برهم کنش کرده و باعث کاهش ویسکوزیته شوند.

استفاده از آب نرم شده یا دیونیزه شده برای تولید مواد شوینده حاوی امولسیون به شدت توصیه می شود. در صورت استفاده از آب سخت افزودن عوامل کلات کننده (Sequestrants) مانند EDTA (اتیلن دی آمین تترا استیک اسید) یا نمک های آن فسفونات ها یا سیترات ها برای غیرفعال کردن یون های سختی آب و جلوگیری از تأثیرات منفی آن ها بر سورفکتانت ها و پایداری امولسیون ضروری است.

افزودنی های دیگر (عطر رنگ نگهدارنده)

حتی افزودنی هایی که به نظر می رسد نقش مستقیمی در امولسیون ندارند می توانند بر پایداری آن تأثیر بگذارند:

• عطر: عطرها معمولاً مخلوط های پیچیده ای از ترکیبات روغنی هستند که باید در فاز آبی امولسیون شوند. ترکیب شیمیایی عطر (انواع مولکول های موجود در آن) و قطبیت آن بر HLB مورد نیاز برای امولسیون سازی آن تأثیر می گذارد. ناسازگاری بین عطر و سیستم سورفکتانت یا عدم کفایت سیستم امولسیفایر برای امولسیون کردن مؤثر عطر یکی از دلایل رایج ناپایداری است. برخی ترکیبات عطر ممکن است با سورفکتانت ها یا پلیمرها برهم کنش منفی داشته باشند.
• رنگ: برخی رنگ ها به خصوص رنگ های آلی ممکن است با سورفکتانت ها یا سایر اجزای یونی کمپلکس تشکیل داده و بر پایداری امولسیون تأثیر بگذارند.
• مواد نگهدارنده: برخی مواد نگهدارنده ممکن است باردار باشند یا با سورفکتانت ها برهم کنش داشته باشند. همچنین اگر نگهدارنده در فاز روغنی حل شود غلظت آن در فاز آبی کاهش می یابد و ممکن است در برابر رشد میکروبی در فاز آبی (که معمولاً فاز پیوسته است) محافظت کافی ایجاد نکند که این خود می تواند به ناپایداری بیولوژیکی منجر شود.

اهمیت آزمایش سازگاری تمام مواد اولیه با یکدیگر در فرمولاسیون نهایی به خصوص در مورد امولسیون ها نمی تواند دست کم گرفته شود. حتی تغییر جزئی در گرید یا تأمین کننده یک ماده اولیه می تواند بر پایداری تأثیر بگذارد.

استراتژی های فرمولاسیون برای افزایش پایداری امولسیون

با شناسایی ترکیبات مؤثر بر پایداری می توان استراتژی های فرمولاسیون را برای بهبود آن به کار گرفت. این استراتژی ها معمولاً شامل بهینه سازی سیستم امولسیفایر کنترل ویژگی های فیزیکی سیستم و مدیریت برهم کنش های بین اجزا است.

بهینه سازی سیستم سورفکتانت

این مهم ترین گام است. اطمینان حاصل کنید که:

• سورفکتانت ها یا مخلوط سورفکتانت ها دارای HLB مناسب برای فاز روغنی مورد نظر هستند. اغلب استفاده از مخلوط دو یا چند سورفکتانت (یکی با HLB پایین و دیگری با HLB بالا) به جای یک سورفکتانت تکی نتایج بهتری می دهد.
• غلظت کل سورفکتانت ها کافی است تا سطح تمام قطرات فاز پراکنده را پوشش دهد و همچنین غلظت بحرانی مایسل (CMC) در فاز پیوسته را حفظ کند.
• سورفکتانت های مورد استفاده با یکدیگر سازگار هستند (اجتناب از مخلوط های آنیونیک-کاتیونیک در بیشتر موارد).
• سورفکتانت ها با سایر اجزای فرمولاسیون (پلیمرها الکترولیت ها عطر) سازگار هستند.

آزمایش سیستم های مختلف سورفکتانت و نسبت های آن ها برای یافتن ترکیب بهینه ضروری است.

تنظیم ویسکوزیته

افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته یک راه مؤثر برای کاهش سرعت جدایش گرانشی است. انتخاب غلظت دهنده مناسب و غلظت بهینه آن با در نظر گرفتن تأثیر سایر اجزا (به خصوص الکترولیت ها) کلیدی است. استفاده از غلظت دهنده هایی که در برابر نمک مقاوم تر هستند (مانند صمغ زانتان یا پلیمرهای آسوسیاتیو نانیونیک) در فرمولاسیون های حاوی نمک بالا توصیه می شود.

گاهی اوقات ایجاد یک ساختار ژل یا شبکه در فاز پیوسته (مانند آنچه توسط برخی غلظت دهنده ها یا سیستم های مایسلار خاص ایجاد می شود) می تواند قطرات فاز پراکنده را به طور فیزیکی به دام انداخته و از حرکت و به هم پیوستن آن ها جلوگیری کند.

کنترل اندازه و توزیع قطرات

امولسیون هایی با قطرات کوچکتر و توزیع اندازه قطرات یکنواخت تر معمولاً پایدارتر هستند. بهینه سازی فرآیند امولسیون سازی (نوع همزن سرعت هم زدن زمان هم زدن دما) برای دستیابی به اندازه قطرات مطلوب اهمیت دارد. استفاده از تجهیزات با انرژی برشی بالا مانند هموژنایزرها می تواند به تولید امولسیون های با قطرات بسیار ریز و پایدار کمک کند اما این تجهیزات پرهزینه هستند و همیشه برای حجم های تولیدی بزرگ عملی نیستند. در مقیاس تولیدی بهینه سازی فرآیند با استفاده از همزن های موجود حیاتی است.

مدیریت pH و سطح الکترولیت ها

pH فرمولاسیون باید در محدوده ای باشد که سورفکتانت ها پلیمرها و سایر اجزای حساس به pH در پایدارترین و مؤثرترین حالت خود باشند. کنترل سطح الکترولیت ها به خصوص یون های سختی آب با استفاده از آب نرم شده یا افزودن عوامل کلات کننده برای حفظ کارایی سورفکتانت های یونی و غلظت دهنده های حساس به نمک ضروری است.

استفاده از کوپلیمرها و پایدارکننده های خاص

در فرمولاسیون های چالش برانگیز ممکن است نیاز به استفاده از کوپلیمرهای خاص طراحی شده برای پایداری امولسیون یا پایدارکننده های کلوئیدی دیگر باشد. این مواد می توانند با مکانیسم های فضایی یا ایجاد شبکه های پیچیده به پایداری طولانی مدت کمک کنند به خصوص در حضور شرایط سخت مانند دماهای بالا یا غلظت های بالای نمک.

شرایط صحیح مخلوط کردن و فرآیند تولید

نحوه ترکیب مواد اولیه نیز بر پایداری امولسیون تأثیر می گذارد. ترتیب افزودن اجزا سرعت و مدت زمان هم زدن دما در طول فرآیند و حتی نوع تجهیزات همزن مورد استفاده همگی مهم هستند. برای مثال افزودن فاز روغنی به آرامی به فاز آبی حاوی سورفکتانت تحت هم زدن مناسب معمولاً منجر به تشکیل امولسیون پایدارتر می شود. دما نیز باید کنترل شود؛ برخی امولسیون ها در دماهای خاصی پایدارتر هستند.

آزمایش و ارزیابی پایداری امولسیون

تولید یک امولسیون پایدار نیازمند ارزیابی دقیق پایداری فرمولاسیون تحت شرایط مختلف و در طول زمان است. آزمایش های پایداری به پیش بینی رفتار محصول در قفسه فروشگاه و در دست مصرف کننده کمک می کنند.

آزمایش های پایداری تسریع شده

این آزمایش ها برای شبیه سازی اثرات گذشت زمان در یک دوره کوتاه تر طراحی شده اند:

• چرخه های دما (Temperature Cycling): نمونه ها بین دو دمای حدی (مثلاً 4 درجه سانتی گراد و 40 درجه سانتی گراد) برای چندین چرخه (مثلاً 6 چرخه) قرار داده می شوند. این تست به شناسایی ناپایداری ناشی از تغییرات دما و برهم کنش های فیزیکی (مانند انقباض و انبساط) کمک می کند.
• نگهداری در دماهای بالا: نمونه ها در دماهای بالا (مثلاً 40 یا 50 درجه سانتی گراد) برای مدت زمان مشخصی (مثلاً 4 یا 12 هفته) نگهداری می شوند. دماهای بالا سرعت واکنش های شیمیایی و فرآیندهای فیزیکی مانند به هم پیوستن را افزایش می دهند.
• سانتریفیوژ (Centrifugation): اعمال نیروی گریز از مرکز قوی به نمونه ها برای تسریع خامه گیری یا ته نشینی. این تست می تواند در پیش بینی پایداری در برابر جدایش گرانشی در طولانی مدت مفید باشد.
• انجماد و ذوب (Freeze-Thaw): نمونه ها منجمد و سپس ذوب می شوند. تشکیل بلورهای یخ می تواند ساختار امولسیون را تخریب کرده و باعث شکستن آن شود. این تست برای محصولاتی که ممکن است در معرض دماهای انجماد قرار گیرند (مانند حمل و نقل در زمستان) مهم است.

پس از انجام این تست ها نمونه ها از نظر نشانه های ناپایداری بصری (جدایش فاز خامه گیری ته نشینی لخته شدن) و تغییر در ویژگی هایی مانند ویسکوزیته و اندازه ذرات ارزیابی می شوند.

آزمایش های نگهداری طولانی مدت

این آزمایش ها شامل نگهداری نمونه ها در شرایط نگهداری معمولی (مثلاً دمای اتاق) و همچنین در دماهای بالا (مثلاً 40 درجه سانتی گراد) برای مدت زمان طولانی (مثلاً 6 ماه یا 1 سال) است. این تست ها واقع بینانه ترین ارزیابی از پایداری محصول در طول عمر مفید آن را ارائه می دهند اما زمان بر هستند.

تکنیک های تحلیلی

علاوه بر ارزیابی بصری تکنیک های تحلیلی می توانند اطلاعات کمی در مورد وضعیت امولسیون ارائه دهند:

• میکروسکوپی: مشاهده مستقیم قطرات امولسیون برای بررسی اندازه شکل و وجود لخته ها یا کریستال ها.
• اندازه گیری اندازه ذرات (Particle Sizing): استفاده از تکنیک هایی مانند پراکندگی نور پویا (DLS) یا پراکندگی نور استاتیک (SLS) برای تعیین توزیع اندازه قطرات. افزایش اندازه متوسط قطرات در طول زمان نشانه به هم پیوستن است.
• رئولوژی (Rheology): اندازه گیری ویسکوزیته و رفتار جریانی محصول. تغییرات در خواص رئولوژیکی می تواند نشانه ناپایداری باشد.
• آنالیز سطح مشترک: تکنیک هایی برای بررسی ساختار و ترکیب لایه امولسیفایر در اطراف قطرات.

ترکیب آزمایش های تسریع شده نگهداری طولانی مدت و تکنیک های تحلیلی امکان ارزیابی جامع پایداری امولسیون و شناسایی زودهنگام مشکلات را فراهم می کند.

عیب یابی مشکلات رایج ناپایداری امولسیون

هنگامی که با ناپایداری مواجه می شوید فرآیند عیب یابی باید با بررسی سیستماتیک ترکیبات و فرآیند تولید آغاز شود. در اینجا برخی از مشکلات رایج و ترکیبات مرتبطی که باید بررسی شوند آورده شده است:

عیب یابی مؤثر نیازمند رویکردی علمی و سیستماتیک است. با تغییر یک پارامتر در هر بار و مشاهده تأثیر آن بر پایداری می توان به ریشه مشکل پی برد. نگهداری سوابق دقیق از فرمولاسیون ها مواد اولیه مورد استفاده (شامل تأمین کننده و گرید) و نتایج تست های پایداری فرآیند عیب یابی را بسیار تسهیل می کند.

سوالات متداول (FAQ)

چرا امولسیون مواد شوینده من در طول زمان جدا می شود؟

جدایش فاز در امولسیون شوینده معمولاً به دلیل ناکافی بودن عملکرد پایدارکننده ها (سورفکتانت ها پلیمرها) یا ناسازگاری ترکیبات رخ می دهد. عواملی مانند دما pH حضور نمک ها و اندازه قطرات نیز تأثیرگذارند. بررسی دقیق سیستم سورفکتانت و غلظت دهنده اولین گام است.

آیا کیفیت آب در تولید امولسیون شوینده مهم است؟

بله کیفیت آب بسیار مهم است. یون های سختی آب (کلسیم منیزیم) با سورفکتانت های آنیونیک و برخی غلظت دهنده ها برهم کنش کرده و باعث کاهش کارایی آن ها و ناپایداری امولسیون می شوند. استفاده از آب نرم شده یا عوامل کلات کننده توصیه می شود.

چه نقشی ویسکوزیته در پایداری امولسیون دارد؟

افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته (آب) سرعت حرکت قطرات فاز پراکنده (روغن) را تحت تأثیر گرانش کاهش می دهد و در نتیجه خامه گیری یا ته نشینی را کند می کند. همچنین می تواند برخورد بین قطرات و سرعت به هم پیوستن را کاهش دهد.

چگونه می توانم بفهمم سورفکتانت مناسبی برای امولسیونم انتخاب کرده ام؟

انتخاب سورفکتانت مناسب به ماهیت فاز روغنی شما بستگی دارد (HLB مورد نیاز). تطابق HLB سیستم سورفکتانت با HLB مورد نیاز فاز روغنی و همچنین اطمینان از سازگاری آن با سایر اجزا کلیدی است. تست های پایداری بهترین راه برای تأیید انتخاب هستند.

آیا تغییر عطر می تواند باعث ناپایداری امولسیون شود؟

بله عطرها مخلوط های پیچیده ای هستند و ترکیب شیمیایی آن ها می تواند به شدت بر امولسیون پذیری و سازگاری با سیستم سورفکتانت تأثیر بگذارد. همیشه قبل از تغییر عطر یا استفاده از عطر جدید سازگاری آن را با فرمولاسیون نهایی و پایداری امولسیون تست کنید.

منبع محتوا : https://chimisanat.ir