Sistemi dispersi

Sistemi dispersi “dispersioni colloidi”

I sistemi dispersi “dispersioni colloidi” sono costituiti da 2 fasi non miscibili tra loro e una delle due fasi è finemente dispersa nell’altra; in particolare si ha:

• Una fase disperdente, o esterna o continua.
• Una fase dispersa, o interna o discontinua.

L’intervallo dimensionale va da 1 a 500 nm, dimensioni sub-micrometriche, e si ha che:

• Sotto al nm si chiamano dispersioni molecolari.
• Dimensioni micrometriche: dispersioni grossolane, visibili, particelle disperse ad occhio nudo o al microscopio ottico.

A seconda della fase dispersa e disperdente possiamo avere diversi sistemi dispersi:

Fase disperdente gas

Se la fase disperdente è un gas e la fase dispersa è:

• Liquida si parla di aerosol liquido, o nebbia: liquido disperso finemente in un gas.
• Un gas si parla di aerosol solido, o fumi.

Fase disperdente liquida

Se la fase disperdente è una fase liquida e la fase dispersa è:

• Un gas si parla di schiuma.
• Un liquido immiscibile con il 1° si parla di emulsione, insolubile nel liquido.
• Un solido si parla di sospensione.

Fase disperdente solida

Se la fase disperdente è un solido e la fase dispersa è:

• Un gas si parla di schiume solide.
• Un liquido si parla di emulsione solida.
• Un solido si parla di sospensione solida.

Le particelle di dimensioni colloidali presentano un’elevata ASS a cui si devono molte proprietà, come anche il fenomeno dell’adsorbimento, per cui una sostanza si accumula sulla superficie di un liquido o di un solido con il quale è a contatto e la zona di contatto tra le fasi è chiamata interfaccia.

Emulsioni

L’emulsione è un sistema disperso costituito da 2 fasi liquide non miscibili tra loro, di cui una è finemente dispersa nell’altra. Le due fasi sono una polare ed una apolare e nel caso delle forme farmaceutiche la fase polare è sempre l’acqua. Possiamo avere emulsioni:

• Olio in acqua (O/A): olio disperso nell’acqua. Es: il latte ove la parte grassa del latte è dispersa nell’acqua.
• Acqua in olio (A/O): l’H2O dispersa nell’olio. Es: burro ove la frazione acquosa del latte è dispersa nella matrice grassa.

I test che si eseguono per valutare se si tratti di un’emulsione O/A o A/O sono:

• 1. Il “Metodo di diluizione della goccia”: se un’emulsione si diluisce per aggiunta di acqua vuol dire che la fase esterna è affine all’acqua, fase esterna simile a quella che si è aggiunto, e quindi si tratta di un’emulsione O/A; al contrario non succede nulla e quindi la fase interna dell’emulsione è l’acqua.
• 2. Il “Test della conducibilità elettrica”: la fase acquosa ha una conducibilità elettrica maggiore rispetto alla fase oleosa; perciò un’emulsione O/A, acqua è la fase esterna, avrà una conducibilità elettrica maggiore di quella A/O.
• 3. L’“Aggiunta di sostanze colorate o fluorescenti”: se si aggiunge un colorante idrofilo ad un’emulsione e si ha la distribuzione omogenea del colorante all’interno dell’emulsione allora la fase esterna è l’acqua perché il colorante si è solubilizzato nella fase esterna; viceversa se aggiungiamo un colorante lipofilo e si vedono delle macchie di colore si ha che la fase interna è l’olio.

In base alle dimensioni delle goccioline di fase dispersa, possiamo distinguere le emulsioni in: macro-emulsioni, mini-emulsioni, la maggior parte, micro-emulsioni e nano-emulsioni.

Instabilità fisica

Le emulsioni hanno la caratteristica di essere sistemi termodinamicamente instabili perché è elevato il contributo della tensione interfacciale e quindi è elevato il contributo legato all’energia libera di superficie, energia necessaria ad incrementare la superficie di 1 m²; in particolare la riduzione delle dimensioni delle particelle produce un aumento dell’AS e quindi un aumento dell’energia libera di superficie che tende a rendere il sistema termodinamicamente instabile. Le particelle tenderanno ad aggregarsi per diminuire l’ASS e quindi diminuire l’energia libera di superficie.

Secondo la relazione ΔE = γls ΔA, ove γls è la tensione interfacciale tra il mezzo liquido e le particelle solide. Affinché il contributo energetico si abbassi, mantenendo invariato ΔS, incremento della superficie, bisogna abbassare la tensione interfacciale olio acqua e per fare ciò aggiungiamo i tensioattivi.

Un altro parametro che contribuisce all’instabilità fisica delle emulsioni è la velocità di sedimentazione, ovvero la velocità con cui si muovono le gocce di fase dispersa all’interno della fase disperdente, ed è descritta dalla legge di Stokes:

• La velocità di sedimentazione è direttamente proporzionale: al diametro delle particelle, goccioline di fase dispersa, all’accelerazione di gravità, alla differenza di densità tra la fase interna e quella esterna.
• Inversamente proporzionale alla viscosità della fase disperdente, esterna, ovvero del mezzo disperdente.

Per effetto della tendenza a sedimentare o ad affiorare, si possono avere i fenomeni di:

• Sedimentazione: deposizione delle goccioline di fase dispersa sul fondo dell’emulsione. Avviene quando la densità della fase interna è > di quella esterna: le goccioline disperse sedimentano sul fondo dell’emulsione e si parla di velocità di sedimentazione.
• Creaming: affioramento delle goccioline di fase dispersa sulla superficie dell’emulsione. Avviene quando la densità della fase interna è inferiore a quella della fase esterna. In tal caso invece che di velocità di sedimentazione si parla di velocità di affioramento.
• Flocculazione, o aggregazione: le goccioline di fase dispersa si avvicinano tra loro formando goccioline di dimensioni maggiori, flocculi, tenuti insieme da deboli forze attrattive.

Sono tutti e tre fenomeni reversibili poiché agitando l’emulsione, ovvero fornendo di nuovo energia, possiamo tornare alla condizione iniziale, ovvero di dispersione omogenea di una fase nell’altra.

La coalescenza è un fenomeno irreversibile, non si torna alla condizione iniziale per semplice agitazione, ed è il momento che precede la rottura dell’emulsione, ovvero la separazione della fase dispersa dalla disperdente, dovuto al fatto che le goccioline di fase dispersa si uniscono tra di loro formando degli aggregati di dimensioni sempre maggiori con conseguente aumento delle forze di interazioni che le tengono insieme.

Riduzione dell’instabilità dell’emulsione

Per diminuire l’instabilità dell’emulsione si possono aggiungere sostanze che aumentano la viscosità, in maniera tale da ridurre la velocità di sedimentazione e rallentare il movimento delle goccioline di fase dispersa, ovvero diminuire la possibilità che si uniscano tra loro e si separino dalla fase disperdente; perciò nelle emulsioni si aggiungono degli agenti ispessenti, o viscosizzanti, che nell’emulsione:

• O/A sono dei colloidi idrofili: es: gomme, aumentano la viscosità della fase acquosa.
• A/O si aggiunge la vaselina filante: aumenta la viscosità della fase oleosa.

I criteri che fanno formare un tipo di emulsione, O/A o A/O, piuttosto che un’altra sono tre:

• 1. Il criterio del volume di fase: la fase presente con volume maggiore diventa la fase esterna dell’emulsione.
• 2. Il criterio della viscosità di fase: la fase con viscosità maggiore diventa la fase esterna dell’emulsione.