Pickering-emulsiot tehokkaalla ultraäänellä

• Pickering-emulsiot stabiloidaan kiinteillä hiukkasilla.
• Pickering-emulsiot vakuuttavat ”emulgointiaineettomuudellaan” ja paremmalla stabiiliudellaan.
• Ultraääni on täydellinen työkalu Pickering-emulsioiden valmistamiseen: ensin stabiloivat hiukkaset dispergoidaan vesifaasiin ja sitten öljy-vesifaasi emulgoidaan.

Pickering-emulsiot

Pickering-emulsiot stabiloidaan adsorboituneilla kiinteillä hiukkasilla emulgointiaineen tai pinta-aktiivisen aineen sijaan. Siksi Pickering-emulsioita voidaan pitää ”emulgointiaineettomina” tai ”pinta-aktiivisista aineista vapaina”, sillä ne stabiloidaan kiinteillä hiukkasilla. Jos öljyä ja vettä sekoitetaan ja muodostuvat pienet öljypisarat dispergoituvat kaikkialle veteen, pisarat yhdistyvät lopulta pienentääkseen järjestelmän energiamäärää. Jos seokseen kuitenkin lisätään kiinteitä hiukkasia, ne sitoutuvat faasien rajapinnalle ja estävät pisaroita yhdistymästä, jolloin emulsio on stabiilimpi.
Emulsion muodostaminen ilman emulgointiainetta on erityisen kiinnostavaa sellaisten tuotteiden formuloinnissa, joissa pinta-aktiivisten aineiden käytöllä on kielteisiä vaikutuksia, esimerkiksi lääke- ja kosmetiikkatuotteissa. Lisäksi Pickering-emulsiot ovat stabiilimpia kuin tavanomaisilla emulgointiaineilla stabiloidut emulsiot. Pisaroita peittävä kiinteiden hiukkasten kerros toimii jäykkänä esteenä pisaroiden yhdistymiselle. Tämä tarkoittaa, että jopa hyvin väkevät emulsiot voidaan stabiloida tehokkaasti Pickering-emulsioina. Öljyn ja veden rajapinnalle adsorboituneet kiinteät nanohiukkaset ovat osittain upoksissa sekä vedessä että öljyssä, joten stabiloivilla nanohiukkasilla voi olla hydrofiilisiä, hydrofobisia tai amfifiilisiä ominaisuuksia. Myös hiukkasten muoto ja koko vaikuttavat emulsion stabiiliuteen.

Ultraäänihomogenoinnin suuret mekaaniset leikkausvoimat ylittävät faasien rajapintojen välisen energiaesteen. Lisäksi ultraäänikäsittely hajottaa nanohiukkasten aggregaatit ja agglomeraatit ja muodostaa erittäin polydisperssin emulsion.

Ultraäänikäsittelyä käytetään Pickering-emulsion valmistuksen molemmissa vaiheissa:

1. adsorboituneiden hiukkasten dispergointiin vesifaasiin
2. o/w-seoksen emulgointiin

Pickering-emulsio piidioksidilla

Ensin hydrofiiliset pyrogeeniset piidioksidijauheet (kuten Aerosil® 200 tai Aerosil® 380) dispergoitiin veteen 100nm:n agglomeraatteina ultraäänilaitteella.
Toisessa vaiheessa valmistettiin ultraäänikäsittelyllä stabiileja o/w-emulsioita, joissa öljyn osuus oli 20 wt% ja pisaroiden halkaisija 2–10nm.
Butanolin, etyyliasetaatin, butyylilaktaatin ja dietyyliadipaatin stabiilien, läpinäkyvien emulsioiden muodostamiseen vesifaasissa tarvittiin 6% piidioksidia. Di-isobutyyliadipaatin stabiilin emulsion muodostamiseen tarvitaan vähintään 8% piidioksidia.
Kaikkien valmistettujen emulsioiden on osoitettu pysyvän stabiileina vähintään 6 kuukautta.
 

Vaikka sekä käsittelemätön että funktionalisoitu piidioksidi (SiO₂) on yksi yleisimmin käytetyistä hiukkasmateriaaleista, myös muita hiukkasia, kuten

• Fe₃O₄,
• hydroksiapatiittia,
• monodisperssejä polystyreenin lateksihiukkasia,
• syklodekstriiniä ja maltodekstriiniä,
• halloysiittinanoputkia,
• hematiitin (α-Fe₂O₃) mikrohiukkasia,
• poly(metyylimetakrylaattia) (PMMA),
• liukenemattomia kitosaanin ja gelatiini-B:n kompleksihiukkasia

on monien muiden kiinteiden hiukkasten ohella käytetty onnistuneesti stabiilien Pickering-emulsioiden valmistamiseen.

Kirjallisuus / Lähteet

• Xu, Yayuan; Song, Jiangfeng; Dai, Zhuqing; Niu, Liying; Dajing, Li; Wu, Caie (2022): Study on physicochemical characteristics of lutein nanoemulsions stabilized by chickpea protein isolate-stevioside complex. Journal of the Science of Food and Agriculture 102; 2022. 1872-1882.
• Xiao-Yan Wang and Marie-Claude Heuzey (2016): Chitosan-Based Conventional and Pickering Emulsions with Long-Term Stability. Langmuir 32, 4; 2016. 929–936.
• Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.