Formació de nano-emulsions en sistemes amb tensioactius iònics mitjançant mètodes de condensació o de baixa energia

Abstract

Les nano-emulsions, en tant que emulsions, són dispersions col·loïdals formades per una fase líquida dispersada en una altra en forma de gotes. El que les fa d'especial interès és que aquestes gotes tenen una mida extremadament petita, entre 20 i 200 nm, fet que fa que la majoria d'elles tinguin una aparença transparent o translúcida. <br/><br/>Les nano-emulsions són sistemes termodinàmicament inestables, i com a tals, es requereix energia per a la seva formació. Aquesta energia pot ser aportada a través de mètodes físics, de dispersió o d'alta energia (homogeneïtzadors d'alta pressió, generadors d'ultrasons...), o a través de mètodes químics, de condensació o de baixa energia. En aquests darrers, les nano-emulsions s'obtenen com a resultat dels canvis produïts en la curvatura natural dels tensioactius durant el procés d'emulsificació, degut a les transicions de fases que es produeixen. L'emulsificació es pot produir a composició constant (Phase Inversion Temperature Method, PIT), o a temperatura constant (Phase Inversion Composition Method, PIC).<br/><br/>Tot i ser les nano-emulsions sistemes termodinàmicament inestables, posseeixen una elevada estabilitat cinètica. El fet de tenir una elevada estabilitat cinètica, juntament amb les característiques de mida de gota petita i aparença transparent o translúcida, fa que hagin incrementat les seves aplicacions en diversos sectors industrials.<br/><br/>En la present tesi doctoral s'ha estudiat la formació de nano-emulsions de fase externa aquosa en sistemes amb tensioactius iònics mitjançant mètodes de condensació o de baixa energia mantenint la temperatura constant (PIC). Per a dur a terme aquest estudi, s'han seleccionat els sistemes aigua / SDS-alcohol / dodecà, aigua / oleat de potassi - àcid oleic - C12E10 / hexadecà, i aigua / clorur d'oleïlamina - oleïlamina - C12E10 / hexadecà.<br/><br/>En el sistema aigua / SDS-alcohol / dodecà, per tal d'obtenir nano-emulsions de mida de gota petita és necessari partir de composicions amb estructura de microemulsió de fase externa aquosa (Wm), o assolir l'equilibri quan es passa per aquesta fase al llarg del camí d'emulsificació. <br/><br/>La formació de nano-emulsions en aquest sistema es produeix durant un procés de dilució de la fase de microemulsió Wm. Durant aquest procés de dilució, el component cotensioactiu (hexanol o pentanol) difon a la fase aquosa, fet que provoca que el sistema esdevingui termodinàmicament inestable i passi a constituir nano-emulsions. <br/><br/>En els sistemes aigua / oleat de potassi - àcid oleic - C12E10 / hexadecà i aigua / clorur d'oleïlamina - oleïlamina - C12E10 / hexadecà, per tal d'obtenir nano-emulsions de mida de gota petita ha estat necessari partir d'una zona on tot l'hidrocarbur es trobi solubilitzat en una fase de cristall líquid cúbic amb elevada concentració d'aigua, o aconseguir la solubilització de tots els components quan es passa per a composicions pertanyents a aquesta zona al llarg del camí d'emulsificació. L'aplicació de tècniques de dissenys d'experiments ha permès optimitzar tant les variables de composició com les de preparació.<br/><br/><br/>Pel que fa al mecanisme de formació de les nano-emulsions en aquests sistemes, la coincidència entre els radis de les gotes de nano-emulsió i els radis de les micel·les del cristall líquid cúbic, ha permès deduir que les nano-emulsions es formen durant un procés de dilució d'aquesta fase de cristall líquid cúbic. <br/><br/>S'ha dut a terme un escalat, a escala mitjana de laboratori, de les nano-emulsions formades en el sistema aigua / oleat de potassi - àcid oleic - C12E10 / hexadecà. S'ha vist que la utilització de les variables independents de l'escala temps d'addició i velocitat d'agitació lineal, permet obtenir un model que descriu la mida de gota en funció d'aquestes variables, i que és vàlid per a qualsevol escala utilitzada dins el rang d'escalat estudiat (100-644 g).

Nano-emulsions are colloidal dispersions formed by a liquid phase dispersed in another one in form of droplets. What makes them very interesting is the extremely small droplet size they have (20-500 nm). They are thermodynamically unstable systems, and consequently, their properties depend on the preparation method. The low-energy preparation methods, in which the temperature or the composition are maintained constant, make use of the phase transitions that take place during the emulsification process as a result of a change in the spontaneous curvature of the surfactant. <br/><br/>In this work, the formation of nano-emulsions, with water as the external phase, in ionic surfactant systems has been studied. Nano-emulsions has been formed through the Phase Inversion Composition (PIC) low-energy method, in which the temperature is maintained constant. For this purpose, the selected systems have been: water / sodiumdodecylsulphate-alcohol / dodecane, water / potassium oleate - oleic acid -C12E10 / hexadecane, and water / oleylammine chloride-oleylammine-C12E10 / hexadecane.<br/><br/>In the system using SDS as ionic surfactant, it has been found that starting the emulsification in an O/W microemulsion region, or reaching the equilibrium in it along the emulsification path, allows to obtain small droplet-sized nano-emulsions. <br/><br/>In the systems using potassium oleate and oleylammine chloride as ionic surfactants, small droplet-sized nano-emulsions were obtained when starting the emulsification in a direct cubic liquid crystalline phase, or reaching the equilibrium in it along the emulsification process. <br/><br/>The experimental design technique applied to all systems has allowed optimizing both the formation and composition variables.<br/><br/>An scale-up of the nano-emulsion formation process at a medium laboratory scale has been carried out for the water / potassium oleate - oleic acid -C12E10 / hexadecane system. An equation that describes the droplet size as a function of the addition time and the linear stirring rate variables has been found, which is valid for any scale in the range studied (100g-644 g).