Jump to content

Стабилизация эмульсии полиэлектролитами

Полиэлектролиты — это заряженные полимеры, способные стабилизировать (или дестабилизировать) коллоидные эмульсии посредством электростатических взаимодействий. Их эффективность может зависеть от молекулярной массы , pH растворителя , полярности , ионной силы и гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Стабилизированные эмульсии используются во многих промышленных процессах, включая дефлокуляцию , доставку лекарств, переработку нефтяных отходов и пищевую технологию.

Виды полиэлектролитов

[ редактировать ]

Полиэлектролиты состоят из положительно или отрицательно заряженных повторяющихся звеньев . Заряд pH полиэлектролита зависит от различных свойств раствора, таких как степень диссоциации мономерных звеньев, свойств растворителя, концентрации соли, и температуры.

Полимеры приобретают заряд за счет диссоциации боковых групп мономера . Если диссоциируется больше боковых групп мономера, полимер имеет более высокий заряд. В свою очередь, заряд полимера классифицирует полиэлектролит, который может быть положительным (катионным) или отрицательным (анионным).

Заряд полимера и ионная сила рассматриваемого полиэлектролита определяют, насколько толстым будет слой полиэлектролита. Толщина полиэлектролита влияет на его адсорбционную способность. [ 1 ] Более подробную информацию об адсорбции полиэлектролитов можно найти здесь .

Некоторые примеры полиэлектролитов можно найти в таблице ниже. Свойства полимеров варьируются в зависимости от молекулярной массы и степени полимеризации. [ 2 ]

Полиэлектролит и тип Упаковка ) мономерной единицы (в воде Молярная масса (g/mol) [ 3 ] Степень полимеризации [ 3 ] Структура
ПСС (анионный) -0.53 [ 4 ] 70,000 340
ПАА (анионный) 4.35 [ 5 ] 10,000 140
APMA (катионный) 5.0 [ 6 ] 131,000 1528
ПЭА (катионный) 1.2 [ 7 ] 3600 36
Поли-L-аргинин (катионный) 9.0 [ 8 ] 15,000-70,000 [ 9 ] 96-450 [ 9 ]

Виды эмульсий

[ редактировать ]

Два основных типа эмульсий — масло в воде ( неполярная в полярной ) и вода в масле ( полярная в неполярной ). Разница зависит от природы поверхностно-активного вещества или полиэлектролита рассматриваемого . Гидрофильные кусочки притягивают полярный растворитель, создавая эмульсию вода в масле, а гидрофобные кусочки притягивают неполярный растворитель, создавая эмульсию масло в воде.

Стабильность эмульсии

[ редактировать ]
Схематическое изображение механизма флокуляции в эмульсиях, стабилизированных ДСН (вверху) и не содержащих ПАВ (внизу).

меньше Когда межфазное натяжение между частицами полиэлектролита и эмульсиями рассматриваемыми , эмульсии менее стабильны. Это происходит потому, что частицы полиэлектролита меньше проникают в хлопья в суспензии, меньше когда межфазное натяжение . [ 1 ]

Полиэлектролиты адсорбируются на границе раздела эмульсии и помогают стабилизировать ее, но могут снижать или не снижать межфазное натяжение . Это означает, что капли масла или воды не будут сливаться .

Сами по себе гидрофобные поверхностно-активные вещества не могут стабилизировать эмульсию . Хотя они притягиваются к маслу и образуется эмульсия масло в воде, она не остается стабильной в течение длительного времени и в конечном итоге слипается. [ 10 ] При добавлении полиэлектролита образуются электростатические силы между границей раздела масла и воды и ПАВ начинает выполнять роль «якоря» для полиэлектролита, стабилизируя эмульсию. Помимо поверхностно-активных веществ, наночастицы также могут помочь стабилизировать эмульсию, обеспечивая также заряженную поверхность раздела для адсорбции полиэлектролита. [ 1 ]

Эффекты молекулярной массы

[ редактировать ]

Стабильность эмульсии может зависеть от молекулярной массы сопутствующего полиэлектролита. Полиэлектролиты с высокой молекулярной массой наиболее эффективны при стабилизации. Это связано с тем, что они образуют существенный стерический барьер между маслом и водой, препятствуя агрегации . Однако если полиэлектролит слишком тяжелый, он не растворится в растворе. Вместо этого он образует комки геля и не сможет стабилизировать эмульсию. [ 11 ]

Эффекты pH

[ редактировать ]

Влияние pH на стабильность полиэлектролитов основной основано на функциональной группе полимера цепи , несущей заряд. Например, протонированный амин будет гораздо более стабильным при более низком pH, тогда как сульфонатная группа будет более стабильной при более высоком pH.

Эффекты растворителя

[ редактировать ]

Полиэлектролиты будут гораздо лучше растворимы в полярных растворителях из-за заряда основной цепи полимера и будут больше растекаться. В неполярных растворителях полиэлектролиты будут скручиваться, становясь более плотно упакованными, и, если основная цепь неполярна, заряд будет находиться внутри упакованной структуры. [ 12 ]

Ионная сила

[ редактировать ]
Влияние концентрации солей на структуру полиэлектролитов.

Ионная сила играет решающую роль в стабильности . В эмульсиях вода в масле, как и во многих других, диэлектрическая проницаемость растворителя настолько низка, что электростатические силы между частицами недостаточно сильны, чтобы влиять на стабильность эмульсии. Таким образом, стабильность эмульсии во многом зависит от толщины пленки полиэлектролита . [ 13 ]

Толщина пленки полиэлектролита зависит от его ионной силы . [ 13 ] Заряженные частицы в полиэлектролитных цепях отталкиваются друг от друга, вызывая растяжение цепей. По мере увеличения концентрации соли ионная сила увеличивается, и ионы экранируют заряды полимерной цепи, позволяя полимерной цепи образовывать плотный случайный клубок. [ 14 ]

Электростатическая стабилизация

[ редактировать ]

В эмульсиях, стабилизированных полиэлектролитами, доминируют электростатические силы отталкивания . [ 1 ] [ 15 ] существуют Хотя стерические взаимодействия , они по сравнению с ними незначительны. С увеличением концентрации полиэлектролита силы отталкивания возрастают. становится больше Когда молекул полиэлектролита , расстояние между отдельными частицами уменьшается. Как расстояние уменьшается, экспоненциальный член становится больше. Следовательно, увеличивается и энергия отталкивания.

Этот график иллюстрирует уравнение. 1. Видно, что по мере уменьшения расстояния между частицами между поверхностью электростатическая сила отталкивания уменьшается экспоненциально. [ 16 ]

Общее уравнение энергии отталкивания с учетом сферических частиц (уравнение 1):

где

= радиус частицы,
= объемная концентрация ионов.
= постоянная Больцмана ,
= уменьшенный поверхностный потенциал.
= расстояние между поверхностью сферических частиц.
= термодинамическая температура
= длина Дебая .

Кроме того, pH и ионная сила оказывают большое влияние на электростатические взаимодействия , поскольку они влияют на «величину электрического заряда» в растворе. [ 17 ] Как видно из приведенного выше уравнения, энергия отталкивания зависит от квадрата дебаевской длины . Из уравнения для длины Дебая показано, как ионная сила может в конечном итоге повлиять на электростатические взаимодействия в растворе.

Длина Бьеррума

[ редактировать ]

Естественно, возникает вопрос о расстоянии, на котором эти электростатические взаимодействия становятся важными. Это можно обсудить, используя длину Бьеррума . Длина Бьеррума — это расстояние, на котором электростатическое взаимодействие между двумя зарядами сравнимо с тепловой энергией , . Расстояние определяется уравнением. 2:

где

= элементарный заряд ,
= диэлектрическая проницаемость вакуума ,
= относительная диэлектрическая проницаемость .

Плотность поверхностного заряда

[ редактировать ]

Обсуждаемые выше факторы могут влиять на заряд на поверхности полиэлектролита. Плотность поверхностного заряда этих поверхностей при низких поверхностных потенциалах можно смоделировать с помощью упрощенной версии уравнения Грэма (уравнение 3):

где

= поверхностный потенциал.

Примеры полимеров и их поверхностная плотность заряда можно найти в таблице ниже.

Полимер Поверхностная плотность заряда Структура
Латекс -0.06 [ 18 ]
Пектин -0.011 [ 17 ]
(0,1% сухого веса в ZrO ПАК -0.088 [ 19 ]

Приложения

[ редактировать ]

Дефлокуляция

[ редактировать ]

В зависимости от ситуации полиэлектролиты могут действовать как флокулянты или дефлокулянты . Для стабилизации эмульсии необходимы дефлокулянты-полиэлектролиты. Когда силы отталкивания между частицами преодолевают межмолекулярные силы в растворе и рыхлые флокулированные агрегаты разделяются, происходит дефлокуляция. В отличие от рыхлых и легко отделяющихся осадков, образующихся при флокуляции, осадки, образующиеся при дефлокуляции, плотно упакованы и с трудом поддаются редиспергированию. Силы отталкивания при дефлокуляции увеличивают дзета-потенциал снижает вязкость суспензии , что, в свою очередь , . Из-за такого снижения вязкости дефлокулянты иногда называют «разбавителями». Эти разжижители обычно являются и повышают pH суспензии щелочными , предотвращая флокуляцию . Дефлокулянты используются в качестве разбавителей при формовании пластмасс, изготовлении стеклянной посуды и глиняной керамики. [ 20 ]

Переработка нефтяных отходов

[ редактировать ]

Полиэлектролиты также могут действовать как флокулянты , разделяя твердые вещества (хлопья) и жидкости в промышленных процессах, таких как солюбилизация и добыча нефти, и они обычно имеют большую плотность катионного заряда .

Использование органических материалов для переработки нефти вместо коагулированного железа или алюминия значительно сократит количество образующихся неорганических отходов. [ 21 ] Отходы состоят из устойчивых эмульсий типа «масло в воде». Добавление к нефтяным отходам различных полиэлектролитов может привести к коагуляции нефти, что облегчит ее удаление и утилизацию и не приведет к значительному снижению стабильности раствора.

Доставка лекарств

[ редактировать ]
Гидролиз сложноэфирной связи на поли( ГПМА - ДМАЭ ).

Эмульсии, стабилизированные полиэлектролитами, имеют важное значение в области наномедицины . Для правильного функционирования любая система доставки лекарств должна быть биосовместимой и биоразлагаемой . Полиэлектролиты, такие как декстрансульфат (DSS), протамин (PRM) или поли-L-аргинин, отвечают этим требованиям и могут использоваться в виде капсул с эмульсией внутри. [ 22 ]

Эмульсии масла в воде в настоящее время используются в качестве безопасных растворителей для вакцин . [ 23 ] Важно, чтобы эти эмульсии были стабильными и оставались таковыми в течение длительного периода времени. Эмульсии, стабилизированные полиэлектролитами, могут быть использованы для увеличения срока годности вакцин. Исследователям удалось разработать полиэлектролитные эмульсии со стабильностью более шести месяцев. [ 1 ]

Помимо стабильности в течение длительных периодов времени, полиэлектролиты могут быть полезны для вакцин, поскольку они биоразлагаемы . Например, сложноэфирные связи полиэлектролита поли( ГПМА - ДМАЭ ) могут подвергаться гидролизу в организме человека, а клетки VERO окутывают ДСС и используют поли-L-аргинин для их разрушения. [ 24 ] После разрушения полиэлектролитной капсулы эмульсия, содержащая лекарственное средство, высвобождается в организм. Исследователи исследовали этот метод доставки лекарств для воздействия на клетки лейкемии. [ 22 ]

Пищевые технологии

[ редактировать ]

Поскольку полиэлектролиты могут быть биосовместимыми , из этого следует, что их можно использовать для стабилизации эмульсии в пищевых продуктах. Несколько исследований были сосредоточены на использовании полиэлектролитов для индукции смешивания белков и полисахаридов в эмульсиях масло в воде. DSS успешно используется для стабилизации этих типов эмульсий. [ 25 ] Другие исследования были сосредоточены на стабилизации эмульсий масло в воде с использованием β-лактоглобулина (β-Lg), глобулярного белка, и пектина , анионного полисахарида. И β-лактоглобулин, и пектин являются распространенными ингредиентами в пищевой промышленности. β-лактоглобулин используется в сывороточном белке, который может действовать как эмульгатор. [ 17 ]

  1. ^ Перейти обратно: а б с д и Салех, Н.; Сарбу, Т.; Сирк, К.; Лоури, Г.В.; Матияшевский, К.; Тилтон, Р.Д. (2005). «Эмульсии масла в воде, стабилизированные высокозаряженными наночастицами кремнезема, привитыми в полиэлектролите». Ленгмюр . 21 (22): 9873–9878. дои : 10.1021/la050654r . ПМИД   16229503 .
  2. ^ Указанные молярные массы и степень полимеризации являются конкретными примерами полиэлектролитов, синтезированных и о которых сообщалось в различных исследованиях.
  3. ^ Перейти обратно: а б Когей, К. (2010). «Ассоциация и структурообразование в противоположно заряженных смесях полиэлектролита и ПАВ». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 158 (1–2): 68–83. doi : 10.1016/j.cis.2009.04.003 . ПМИД   19464666 .
  4. ^ Донг, Х.; Ду, Х.; Викрамасингхе, СР; Цянь, X. (2009). «Влияние химического замещения и полимеризации на значения pKa сульфоновых кислот». Дж. Физ. Хим . 113 (43): 14094–14101. дои : 10.1021/jp906087c . ПМИД   19780534 .
  5. ^ Диппи, JFJ; Хьюз, SRC; Розанцки, А. (1959). «Константы диссоциации некоторых симметрично дизамещенных янтарных кислот». Дж. Хим. Соц. : 2492. дои : 10.1039/jr9590002492 .
  6. ^ Наяк, СП (2004). «Дизайн, синтез и характеристика мультичувствительных микрогелей». Диссертация, Технологический институт Джорджии .
  7. ^ Унерберг, WJM; Лингеман, Х. (1983). «Определение значений pK некоторых прототропных функций в митомицине и порфиромицине». Дж. Фарм. наук . 72 (5): 553–556. дои : 10.1002/jps.2600720519 . ПМИД   6306206 .
  8. ^ Ван Холде, Кентукки; Мэтьюз, СК (1990). Биохимия . Бенджамин-Каммингс. ISBN  978-0-805-33931-4 .
  9. ^ Перейти обратно: а б Ча, Дж. Н.; Биркедал, Х.; Юлисс, LE; Бартл, Миннесота; Вонг, М.С.; Деминг, Ти Джей; Стаки, GD (2003). «Спонтанное образование везикул наночастиц из гомополимерных полиэлектролитов». Дж. Ам. хим. Соц . 125 (27): 8285–8289. дои : 10.1021/ja0279601 . ПМИД   12837100 .
  10. ^ Стамкулов Н.С.; Мусабеков, КБ; Айдарова, С.Б.; Лакхэм, ПФ (2008). «Стабилизация эмульсий с использованием комбинации маслорастворимого ионного поверхностно-активного вещества и водорастворимых полиэлектролитов. I: Стабилизация эмульсии и измерения межфазного натяжения». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 335 (1–3): 103–106. doi : 10.1016/j.colsurfa.2008.10.051 .
  11. ^ Ван, Ю.; Кимура, К.; Дубин, PL (2000). «Коацервация полиэлектролита и мицелл: влияние плотности поверхностного заряда мицелл, молекулярной массы полимера и соотношения полимер/поверхностно-активное вещество». Макромолекулы . 3 (9): 3324–3331. Бибкод : 2000МаМол..33.3324Вт . дои : 10.1021/ma991886y .
  12. ^ Стоукс, Р.Дж.; Эванс, Д.Ф. (1996). Основы межфазной инженерии . Вайли-ВЧ. ISBN  978-0-471-18647-2 .
  13. ^ Перейти обратно: а б Стейтц, Р.; Джагер, В.; Клитцинг, Р.В. (2001). «Влияние плотности заряда и ионной силы на многослойное образование сильных полиэлектролитов». Ленгмюр . 17 (15): 4471–4474. дои : 10.1021/la010168d .
  14. ^ Ван, Ю.; Кимура, К.; Хуан, К.; Дубин, PL (1999). «Влияние соли на коацервацию полиэлектролитов и мицелл». Макромолекулы . 32 (21): 7128–7134. Бибкод : 1999МаМол..32.7128W . дои : 10.1021/ma990972v .
  15. ^ Флер, Дж.Дж.; Стюарт, Массачусетс; Шойтьенс, JMHM; Косгроув, Т.; Винсент, Б. (1993). Полимеры и интерфейсы . Чепмен и Холл. ISBN  978-0-412-58160-1 .
  16. ^ Адаптировано из Филип, Дж.; Монден-Монваль, О.; Кальдерон, Флорида; Бибетт, Дж. (1997). «Измерения коллоидной силы в присутствии полиэлектролита». Журнал физики D: Прикладная физика . 30 (20): 2798–2803. Бибкод : 1997JPhD...30.2798P . дои : 10.1088/0022-3727/30/20/005 . S2CID   250769558 .
  17. ^ Перейти обратно: а б с Гузей, Д.; МакКлементс, Дж. (2007). «Влияние электростатических взаимодействий на образование и стабильность эмульсий, содержащих капли масла, покрытые комплексами β-лактоглобулин-пектин». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 55 (2): 475–485. дои : 10.1021/jf062342f . ПМИД   17227082 .
  18. ^ Гесснер, А.; Лиске, А.; Полке, БР; Мюллер, Р.Х. (2002). «Влияние поверхностной плотности заряда на адсорбцию белка на полимерных наночастицах: анализ методом двумерного электрофореза». Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики . 54 (2): 165–170. дои : 10.1016/s0939-6411(02)00081-4 . ПМИД   12191688 .
  19. ^ Леонг, Ю.К.; Весы, ПиДжей; Хили, ТВ; Богер, Д.В. (1995). «Межчастичные силы, возникающие из-за адсорбированных полиэлектролитов в коллоидных суспензиях». Коллоиды и поверхности А . 95 : 43–52. дои : 10.1016/0927-7757(94)03010-w .
  20. ^ Эванс, Д.Ф.; Веннерстрем, Х. (1999). Коллоидная область: место встречи физики, химии, биологии и технологий . Вайли-ВЧ. ISBN  978-0-471-24247-5 .
  21. ^ Люти, Ричард Дж; Селлек, Роберт Э; Галлоуэй, Терри Р. (1977). «Поверхностные свойства эмульсий отработанного масла нефтеперерабатывающих заводов». Экологические науки и технологии . 11 (13): 1211–1217. Бибкод : 1977EnST...11.1211L . дои : 10.1021/es60136a015 .
  22. ^ Перейти обратно: а б Чинголани, Р. (2010). «Нагруженные иматинибом полиэлектролитные микрокапсулы для устойчивого нацеливания на стволовые клетки лейкемии BCR-ABL+» . Наномедицина . 5 (3): 419–431. дои : 10.2217/nnm.10.8 . ПМИД   20394535 .
  23. ^ Фокс, К. (2011). «Иммуномодулирующее и физическое действие масляной композиции в эмульсиях вакцинных адъювантов» . Вакцина . 29 (1): 9563–9572. doi : 10.1016/j.vaccine.2011.08.089 . ПМК   3224191 . ПМИД   21906648 .
  24. ^ Призрак, Б.Г.; Де Кокер, С.; Сухоруков, Г.Б.; Крефт, О.; Парк, В.; Сккиртах, А.; Демистер, Дж.; Де Смедт, С.; Хеннинк, В. (2009). «Полиэлектролитные микрокапсулы для биомедицинского применения». Мягкая материя . 5 (2): 282–291. Бибкод : 2009SMat....5..282D . дои : 10.1039/b808262f .
  25. ^ Антонов Ю.А.; Молденаерс, П. (2012). «Сильный полиэлектролит - индуцированное смешивание в концентрированных водных эмульсиях». Пищевые гидроколлоиды . 28 (1): 213–223. doi : 10.1016/j.foodhyd.2011.12.009 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f1a768139bdb0fcb7bbc26abafb4f182__1715871840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f1/82/f1a768139bdb0fcb7bbc26abafb4f182.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Emulsion stabilization using polyelectrolytes - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)