文系でもわかる乳化

乳化と書いて、「 にゅうか 」と読みます。
乳化は、化学品、医薬品、農薬、食品、化粧品、ペイント、繊維油剤、石油ゴム等の諸工業において広く利用されており、 1冊4〜5万円もする専門書が山ほど出版されている奥の深い世界です。

質問1 乳化ってなにかサクッと教えてください。───水と油を混ぜてみよう

水と油を混ぜてみましょう。

水と油をコップに入れてかきまわしても、時間が経つと軽い方の油が水の上に浮いて、二層に分離してしまいます。 なぜかというと、油は水に溶けないからです。油が塩や砂糖のように、水に溶ける性質があれば水と油は混ざるはずなのです。 さらに、水と油は重さ(比重)が違うため、いくらかきまわしても、いつのまにか上下に分離してしまうのです。
また、水と油の間の界面 (境界面を、こう呼びます。専門用語です)には、表面張力が働いています。 表面張力は、界面の面積をできるだけ小さくしようとします。結果、水は水同士、油は油同士まとまって、界面の面積が最小になります。

以上の理由で、水と油は、二層に分離するわけです。

ところが!(・。・)!

ここに、洗剤か石鹸を入れてかきまわしてみると、白く濁ったようになって、混ざってしまいます。 まさに牛乳のようです。この現象を乳化と呼びます。また、乳化させるために入れた洗剤や石鹸を、界面活性剤と呼びます。

質問2 界面活性剤ってなんですか?───界面活性剤の働きによる乳化のしくみ

界面活性剤の分子には、水になじみやすい部分(親水基)と水になじみにくい部分(疎水基)があり、図1のような姿をしているとお考えください。 よくマッチ棒に例えられます。

図1: ステアリン酸ナトリウム(石けん)の構造
石けん百科 株式会社生活と科学社
http://www.live-science.com 「知識編 界面活性剤とは」より
図2: 油さん、界面活性剤くん、水さんのイメージ

図1: ステアリン酸ナトリウム(石けん)の構造
石けん百科 株式会社生活と科学社
http://www.live-science.com 「知識編 界面活性剤とは」より

図2: 油さん、界面活性剤くん、水さんのイメージ


図2のように、「油さん」は「界面活性剤くん」の左手をしっかり握り、「水さん」は「界面活性剤くん」の右手をしっかり握っています。 「界面活性剤くん」は小さいので、遠目に見れば「油さん」と「水さん」が、しっかり手を握り合っているように見えるのです。

乳化した状態は、肉眼では見えないくらい小さなツブツブがたくさんできて、見た目には、まじりあった状態になっています。 まるで牛乳のようにしか見えません。 さらに、このツブツブひとつひとつを拡大すると、ツブの表面は、 水になじみやすい部分である親水基を外側にした「界面活性剤くん」に覆われているのがわかります。 このツブツブひとつひとつを乳化粒子と呼びます。英語の"emulsion"より、エマルション、エマルジョンとも言います。

質問3 乳化粒子についてもう少し教えて

界面活性剤に覆われた乳化粒子は、肉眼では確認できないくらい、とても小さいです。(図3)

界面活性剤の疎水基(水になじみにくい部分)は、油が好きなのではなく、とことん水が嫌いなだけです。 よって、もし油がなく、単なる水だけが入った容器に界面活性剤を溶かすと、水面(空気との界面)では疎水基を空気の方に向けて並びます。 また、容器と水との界面は、疎水基を容器の方に向けて並びます。水の中に固体があれば、それに疎水基を向けます。 好き嫌いのはっきりしたこの性質が、乳化に大きく貢献しています。

乳化物には大きく分けてO/W(オイル イン ウォーター)型とW/O(ウォーター イン オイル)型の2つがあります。 今までお話してきたものは、水の中に油が小さな乳化粒子となって点在しているものなので、O/W型になります。 牛乳、マヨネーズ、化粧品乳液などがそうです。
もう1つのW/O型は、マーガリン、化粧品のファンデーションなどです。

ちなみに専門的な表現として、例えばO/W型の場合、油滴を「分散相」、水を「連続相」と表現することもあります。

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