Inversione di fase delle emulsioni: volume e PIT

A volte un’emulsione cambia natura sotto i nostri occhi: quella che era olio-in-acqua diventa di colpo acqua-in-olio. È l’inversione di fase, un fenomeno che può essere un guasto da evitare o una tecnica da sfruttare. Capire che cosa la innesca — la frazione di volume o la temperatura — serve a controllarla.

Vediamo che cos’è l’inversione di fase, come la provoca un eccesso di fase dispersa, che cos’è la temperatura di inversione di fase (PIT) e quali conseguenze pratiche ha.

Che cos’è l’inversione di fase

L’inversione di fase è il passaggio di un’emulsione dal tipo O/W al tipo W/O, o viceversa: ciò che era fase dispersa diventa fase continua e viceversa. Non è una semplice rottura, ma una riorganizzazione completa del sistema. Avviene quando le condizioni che fissavano il tipo di emulsione cambiano abbastanza da rendere più favorevole l’assetto opposto. I due fattori che più comunemente la innescano sono la frazione di volume della fase dispersa e la temperatura.

Inversione per frazione di volume

Il primo meccanismo è geometrico. Se si continua ad aggiungere fase dispersa, le sue gocce diventano sempre più numerose e fitte. Sfere identiche non possono riempire più di circa il 74% dello spazio senza deformarsi; nelle emulsioni reali, polidisperse e con gocce deformabili, si possono superare frazioni anche più alte, ma a un certo punto le gocce sono così stipate che il sistema non regge più e si rovescia: la fase continua e quella dispersa si scambiano i ruoli. È l’inversione per frazione di volume, detta anche inversione catastrofica perché avviene bruscamente quando si supera la soglia.

v = 2 r² (ρ_d − ρ_c) g9 η  (velocità di risalita/sedimentazione)

La relazione di Stokes qui sopra non riguarda direttamente l’inversione, ma mostra perché la dimensione delle gocce — che cambia drasticamente attraverso l’inversione — conta tanto: la velocità di risalita o sedimentazione di una goccia cresce con il quadrato del suo raggio. Un’inversione che produce gocce molto più piccole può perciò rendere l’emulsione molto più stabile, mentre una che le ingrossa la destabilizza.

Inversione per temperatura: la PIT

Il secondo meccanismo riguarda soprattutto gli emulsionanti non ionici di tipo etossilato. La loro solubilità dipende fortemente dalla temperatura: a freddo la testa polietossilata è ben idratata e idrofila, ma scaldando l’acqua si «strappa» progressivamente dalle catene, che diventano più lipofile. Esiste così una temperatura di inversione di fase (PIT, Phase Inversion Temperature): al di sotto l’emulsionante è idrofilo e favorisce O/W, al di sopra diventa lipofilo e favorisce W/O. Attraversando la PIT l’emulsione si inverte.

Il metodo PIT per emulsioni fini

La PIT non è solo un fenomeno da evitare: è una potente tecnica di formulazione. In prossimità della PIT la tensione interfacciale tocca un minimo e l’energia per creare nuova superficie crolla: emulsionando vicino alla PIT si formano spontaneamente gocce molto piccole, fini e uniformi. Il metodo PIT sfrutta proprio questo: si scalda il sistema attorno alla PIT per ottenere gocce minuscole, poi si raffredda rapidamente per «congelarle» in un’emulsione O/W finissima e stabile, senza dover ricorrere a un’omogeneizzazione ad alta energia.

Conseguenze pratiche

L’inversione di fase ha effetti concreti. Indesiderata, può rovinare un prodotto in produzione: una crema O/W che si inverte diventa untuosa e perde le sue proprietà; un’emulsione che si scalda oltre la PIT durante un processo può «rompersi» o cambiare consistenza. Voluta, è uno strumento prezioso: il metodo PIT produce nanoemulsioni stabili a basso costo energetico, e l’inversione catastrofica controllata serve per ottenere certi tipi di emulsioni concentrate. Conoscere la PIT del proprio sistema è quindi indispensabile per fissare le temperature di lavoro.

Perché conta nella pratica

Per chi formula e produce emulsioni, l’inversione di fase è al tempo stesso un rischio da prevedere e una leva da usare. Sapere fino a che frazione di volume si può spingere la fase dispersa evita rovesciamenti improvvisi in produzione; conoscere la PIT dell’emulsionante permette di stabilire le finestre di temperatura sicure e, all’occorrenza, di sfruttare il metodo PIT per ottenere emulsioni finissime senza alte energie. È una di quelle competenze che separano una formulazione robusta da una che «si rompe» in stabilimento.

Domande frequenti

Che cos’è l’inversione di fase di un’emulsione?

È il passaggio di un’emulsione dal tipo O/W al tipo W/O o viceversa: la fase prima dispersa diventa continua e quella continua diventa dispersa. Non è una semplice separazione, ma una riorganizzazione completa del sistema, innescata di solito da un eccesso di fase dispersa o da una variazione di temperatura che cambia l’affinità dell’emulsionante.

Perché aggiungere troppa fase dispersa inverte l’emulsione?

Perché le gocce diventano così numerose e stipate da non poter coesistere nella geometria iniziale: sfere identiche non riempiono più di circa il 74% dello spazio. Superata la soglia di impaccamento, il sistema si rovescia bruscamente e la fase continua e quella dispersa si scambiano i ruoli. Questa è l’inversione catastrofica per frazione di volume.

Che cos’è la temperatura di inversione di fase (PIT)?

È la temperatura alla quale un emulsionante non ionico etossilato passa da prevalentemente idrofilo a prevalentemente lipofilo, perché scaldando perde acqua di idratazione. Al di sotto della PIT favorisce un’emulsione O/W, al di sopra una W/O. Attraversando la PIT l’emulsione si inverte; in prossimità della PIT la tensione interfacciale è minima.

Che cos’è il metodo PIT?

È una tecnica per ottenere emulsioni finissime a bassa energia: si scalda il sistema attorno alla PIT, dove la tensione interfacciale è minima e si formano gocce molto piccole quasi spontaneamente, poi si raffredda rapidamente per fissarle in una nanoemulsione O/W stabile. Evita il ricorso a omogeneizzatori ad alta pressione ed è molto usato in cosmetica.

L’inversione di fase è sempre un problema?

No. Indesiderata, può rovinare un prodotto (una crema che si inverte cambia tatto e proprietà) o «rompere» un’emulsione scaldata oltre la PIT. Ma controllata è uno strumento utile: il metodo PIT produce nanoemulsioni stabili, e l’inversione catastrofica guidata serve a ottenere certe emulsioni concentrate. Tutto sta nel conoscere e governare le condizioni che la innescano.