Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
На правах рукописи
Королева Марина Юрьевна
Кинетика процессов и квазиравновесие в концентрированных обратных эмульсиях
02.00.11 - Коллоидная химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
Москва - 2011
Работа выполнена на кафедре нанотехнологии и наноматериалов Российского химико-технологического университета им. Д. И.Менделеева
Научный консультант: член-корр. РАН, доктор химических наук, профессор Юртов Евгений Васильевич
Официальные оппоненты:
Доктор химических наук, профессор, Волков Виктор Анатольевич Московский государственный текстильный университет им. А. Н. Косыгина Доктор химических наук, профессор, Ревина Александра Анатольевна Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Доктор химических наук, профессор, Шабанова Надежда Антоновна Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
Ведущая организация: Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН
Защита состоится 14 марта 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.204.11 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале.
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Автореферат диссертации разослан _______________ 20____ г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.к.х.н., доцент Мурашова Н.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Для доставки лекарственных и биологическиактивных соединений в организм человека, детоксикации биологических жидкостей и кожных покровов человека перспективны для использования концентрированные обратные эмульсии, близкие к высоконцентрированным. При извлечении веществ, обладающих поверхностно-активными свойствами, к дисперсным системам предъявляется дополнительное требование - высокая удельная межфазная поверхность, что может быть обеспечено при создании концентрированных обратных наноэмульсий.
В настоящее время разработаны различные методы получения наноэмульсий - высокоэнергетические и низкоэнергетические, однако все они позволяют эффективно получать только прямые наноэмульсии. При использовании высокоэнергетических методов часто получаются обратные эмульсии со средним диаметром капель внутренней фазы, превышающим 100 нм. Низкоэнергетические методы позволяют получать обратные наноэмульсии с размером капель в несколько десятков нанометров, но доля внутренней фазы в таких системах не превышает 0,1.
Проблема, решаемая в данной работе, заключается в разработке комплексного подхода к созданию агрегативно и седиментационно устойчивых концентрированных, близких к высококонцентрированным, обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью. Для решения поставленной задачи были проведены исследования кинетики флокуляции, седиментации, оствальдова созревания, коалесценции и диффузии веществ в концентрированных обратных эмульсиях и трехфазных системах, включающих обратные эмульсии. Для детального изучения закономерностей процессов были выявлены условия достижения системой квазиравновесного состояния, в котором скорости всех остальных процессов существенно ниже, чем изучаемого процесса. Были установлены закономерности и механизм протекания оствальдова созревания в обратных эмульсиях, проведено исследование и моделирование флокуляции капель внутренней фазы, разработаны методы структурирования дисперсионной среды для создания обратных эмульсий, устойчивых к седиментации. С использованием результатов исследования кинетики переноса веществ в обратных эмульсиях был разработан новый метод получения обратных наноэмульсий, заключающийся в комбинировании высокоэнергетического эмульгирования и низкоэнергетического метода, связанного с диффузией специальных веществнаноэмульгаторов.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка комплексного подхода к созданию высокоустойчивых концентрированных и близких к высококонцентрированным обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью на основании изучения кинетических закономерностей процессов агрегации, структурной седиментации, изотермической перегонки и диффузии веществ в органической фазе обратных эмульсий. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
Основные задачи
:
Выявление механизма и определение концентрационных диапазонов протекания оствальдова созревания в обратных эмульсиях;
Разработка способа получения обратных наноэмульсий, основанного на комбинировании высоко- и низкоэнергетических методов;
Математическое моделирование флокуляции капель внутренней фазы в обратных эмульсиях для прогнозирования структуры образующихся агрегатов капель внутренней фазы и определения концентрационных диапазонов образования перколяционных структур;
Создание высокоустойчивых концентрированных обратных эмульсий со структурированной дисперсионной средой;
Разработка на основе концентрированных, близких к высококонцентрированным, обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью составов для извлечения веществ из биологических жидкостей, для трансдермального переноса веществ.
Научная новизна работы. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлен комплексный подход к созданию высокоустойчивых концентрированных и близких к высококонцентрированным обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью. Впервые показано, что при направленной диффузии специальных веществнаноэмульгаторов через межфазные поверхности образуются наноэмульсии В/М.
Установлено, что капли наноэмульсии образуют структурно-механический барьер вокруг капель, препятствующий их коалесценции. На основании анализа кинетических закономерностей оствальдова созревания в обратных эмульсиях и переноса веществ через органическую фазу в трехфазных системах В/М/В предложен механизм данных процессов. Показано, что основным переносчиком воды из более мелких капель водной фазы в более крупные являются капли наноэмульсии (нанодисперсии). Определены концентрационные диапазоны протекания оствальдова созревания в обратных эмульсиях для различных типов электролитов.
По данным математического моделирования процессов флокуляции в обратных эмульсиях с использованием стохастических и динамических методов определены значения порога перколяции, фрактальная размерность агрегатов.
Показано, что процессы, протекающие в обратных эмульсиях, адекватно описывает модель броуновской динамики. Порог перколяции при использовании данной модели и в обратных эмульсиях практически совпадают, что подтверждено данными по седиментационной устойчивости.
Экспериментально показано, что структурирование дисперсионной среды обратных эмульсий: создание дисперсии твердых частиц парафина, цетилового спирта или моноглицеринстеарата, мицеллярного органогеля лецитина, полимерного органогеля полиэтилена или полипропилена приводит к значительному снижению скорости седиментации флокул капель внутренней фазы.
Установлены основные закономерности квазиравновесия и кинетики экстракции холестерина из биологических жидкостей обратными эмульсиями с нанокаплями. Показано, что холестерин адсорбируется на межфазной поверхности обратных эмульсий и солюбилизируется мицеллами в органической дисперсионной среде. Стадиями, лимитирующими скорость экстракции, являются выход холестерина из липопротеидов в водную фазу биологической жидкости, диффузия в органической фазе эмульсии и адсорбция на межфазной поверхности в эмульсии.
Практическая значимость. Разработан метод получения обратных наноэмульсий, основанный на комбинировании высокоэнергетического диспергирования и направленной диффузии специальных веществ-наноэмульгаторов через межфазные поверхности в обратной эмульсии.
Созданы высокоустойчивые к седиментации и коалесценции концентрированные обратные эмульсии со структурированной дисперсионной средой, представляющей собой полимерные и мицеллярные органогели или концентрированные дисперсии твердых наночастиц.
Показано, что разработанные обратные эмульсии со структурированной дисперсионной средой и наноэмульсией могут быть использованы для детоксикации биологических жидкостей, трансдермальной доставки лекарственных и биологически-активных соединений в организм человека.
Основные защищаемые положения 1. Физико-химические параметры, определяющие условия образования обратной наноэмульсии в эмульсии при диффузии веществ-наноэмульгаторов через межфазные поверхности.
2. Механизм оствальдова созревания в обратных эмульсиях.
3. Прогнозирование концентрационных диапазонов электролитов в каплях внутренней фазы обратных эмульсий, в которых оствальдово созревание приводит к уменьшению численной концентрации капель внутренней фазы, перераспределению капель по размерам при сохранении их численной концентрации и области, в которой оствальдово созревание практически отсутствует.
4. Прогнозирование структуры флокул в обратной эмульсии, их фрактальной размерности и порога перколяции при использовании динамических и стохастических моделей агрегации капель внутренней фазы - методов броуновской динамики, Монте-Карло по алгоритму Метрополиса, диффузионно- и реакционно-контролируемой кластер-кластер агрегации.
5. Способы структурирования дисперсионной среды концентрированных, близких к высококонцентрированным, обратных эмульсий за счет создания полимерной или мицеллярной гелеобразной структуры и концентрированной дисперсии твердых наночастиц.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на International Solvent Extraction Conference (ISEC) в Melbourne, Australia (1996), Barcelona, Spain (1999), Cape Town, South Africa (2002), Beijing, China (2005);
Всероссийской научной конференции "Эфферентные методы в медицине" (Анапа, 1992), Всероссийском семинаре по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 1993), 209th ACS National Meeting (Anaheim, USA, 1995), International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics (Moscow, 1998), Всероссийской научной конференции "Мембраны-98" (Москва, 1998), International Symposium on Lipid and Surfactant Dispersed Systems (Moscow, 1999), Семинаре "Современные проблемы химии и технологии косметических средств. Эмульсионные системы" (Москва, 2001), XII International Conference "Surface Forces" (Russia, 2002), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), XIII Российской конференции по экстракции (Москва, 2004), Международной конференции, посвященной 60-летию создания ИФХ РАН "Физико-химические основы новейших технологий XXI века" (Москва, 2005), Международной конференции по коллоидной химии и физикохимической механике (Москва, 2008), Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech'08 (Москва, 2008), 5th World Congress on Emulsions (Lyon, 2010), 3-м Всероссийском семинаре "Физикохимия поверхностей и наноразмерных систем" (Москва, 2011).
ичный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль в выборе направлений исследований, формулировании задач, выборе подходов к их решению, анализе результатов и их обобщении. Экспериментальная часть работы выполнена автором самостоятельно, расчетная часть - совместно с соавторами публикаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ, в том числе авторских свидетельства на изобретения и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 430 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитированной литературы, включающего 545 работ, и приложений. Работа иллюстрирована 203 рисунками и 18 таблицами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обсуждается актуальность диссертационной работы, ее цели, а также научная новизна и практическая значимость. Основное содержание работы разделено на 5 глав, исходя из особенностей изучаемых процессов, протекающих в обратных эмульсиях. Глава 1 посвящена коагуляции капель внутренней фазы в обратных эмульсиях и моделированию структуры образующихся агрегатов, глава 2 - кинетике расслаивания концентрированных обратных эмульсий и созданию эмульсий со структурированной дисперсионной средой, глава 3 - оствальдову созреванию в обратных эмульсиях, глава 4 - разработке метода получения наноэмульсий в обратных эмульсиях, глава 5 - примерам практического использования разработанных концентрированных, близких к высококонцентрированным, обратных эмульсий с нанокаплями и структурированной дисперсной средой.
Глава 1. Коагуляция капель внутренней фазы в обратных эмульсиях, моделирование структуры образующихся агрегатов В данном разделе дается общая характеристика процесса флокуляции капель внутренней фазы и его особенности, характерные для концентрированных обратных эмульсий. Анализируется вклад перикинетической и ортокинетической коагуляции на различных этапах расслаивания исследованных концентрированных обратных эмульсий.
Флокулы капель внутренней фазы могут иметь компактную сфероидную форму или образовывать разветвленные структуры, занимающие практически весь объем обратных эмульсий. От строения образующихся флокул зависят свойства обратных эмульсий, в том числе устойчивость к седиментации, реологические характеристики и др. В данной работе для визуализации структуры концентрированных обратных эмульсий использовался метод замораживанияскалывания и последующего напыления Pt/C реплик на поверхность скола эмульсии. На рис. 1 приведены микрофотографии скола обратной эмульсии, состояРис. 1. Микрофотографии флокул с сетчатой структурой щей из углеводо(а), с более плотной промежуточной структурой (б) и сфероидальные флокулы капель внутренней фазы в обратной родного масла эмульсии (в) (Britol 20), 0,15 М водного раствора NaCl и сорбитанолеата, с долей внутренней фазы () 0,3 через 1 сут после получения. В эмульсии в основном присутствовали агрегаты с сетчатой структурой и с более плотной промежуточной структурой. Сфероидальных флокул было существенно меньше.
С ростом в эмульсии возрастает вероятность сцепления флокул друг с другом и образования сетчатой структуры. В исследованных обратных эмульсиях порог перколяции - формирование гелеобразной сетки флокул в объеме эмульсии достигался при = 0,25-0,30 (табл. 1). При более низких долях внутренней фазы обратные эмульсии были очень неустойчивыми к седиментации.
При превышении порога перколяции седиментационная устойчивость резко возрастала. Фрактальные размерности Df различных типов флокул в обратных эмульсиях приведены в табл. Математическое моделирование кинетики агрегации капель внутренней фазы в обратных эмульсиях наряду с данными электронной микроскопии, скорости расслаивания эмульсионных систем позволяет прогнозировать степень агрегации капель внутренней фазы в обратных эмульсиях, форму образующихся агрегатов и устойчивость обратных эмульсий.
В данной работе было проведено моделирование роста двумерных и трехмерных агрегатов, состоящих из полидисперсных частиц. Построение трехмерных агрегатов более реалистично отражает процесс коагуляции в обратных эмульсиях. Однако фрактальную размерность объемных флокул в реальных концентрированных обратных эмульсиях определить не представляется возможным. Поэтому при моделировании основное внимание было уделено образованию двумерных агрегатов стохастическими и динамическими методами.
В модели диффузионно-лимитируемой агрегации (DLCA) рассматривалось множество частиц, случайно расположенных в модельной ячейке. Частицы выбирались случайным образом и перемещались в случайно выбранном направлении на расстояние, обратно пропорциональное их размеру. При столкновении частиц они объединялись.
В модели реакционно-лимитируемой агрегации (RLCA) необратимое объединение кластеров или частицы и кластера происходило в зависимости от вероятности эффективных соударений, которая варьировалась от 10-1 до 10-5.
В настраиваемой модели кластер-кластер агрегации (tun-CCA) происходило формирование агрегатов с заранее заданной фрактальной размерностью.
Из массива выбирались два кластера, случайным образом помещались на рассчитываемое расстояние, обеспечивающее требуемую Df, и поворачивались на произвольный угол. Если после поворота кластеры пересекались на допустимую величину, то происходило их объединение. Попарное объединение всех кластеров продолжалось до формирования одного агрегата.
В методе динамики частиц моделировались траектории движения отдельных частиц и агрегатов, рассчитываемые в соответствии с уравнениями движения Ньютона с учетом молекулярного притяжения и электростатического отталкивания.
Моделирование с использованием метода броуновской динамики проводилось с использованием уравнения Ланжевена, описывающего движение взаимодействующих броуновских частиц в вязкой дисперсионной среде.
В методе Монте-Карло по алгоритму Метрополиса перемещения частиц и агрегатов в случайно выбранном направлении принималось, если в результате энергия системы уменьшалась. Если энергия системы возрастала, то перемещение принималось с вероятностью, определяемой фактором Больцмана.
В методах динамики частиц, броуновской динамики и Монте-Карло в расчетах энергии притяжения между каплями внутренней фазы использовалась константа Гамакера, равная 3,9Х10-21 Дж, толщина диффузной части двойного электрического слоя - 400 нм. Диэлектрическая проницаемость и вязкость углеводородного масла определялись экспериментально и составили 2,430,3 и 0,100,02 ПаХс. -потенциал капель водной фазы в углеводородном масле изменялся в зависимости от концентрации сорбитанолеата. Для расчетов было взято значение -потенциала, равное -10 мВ, характерное для эмульсий с предельной адсорбцией сорбитанолеата на межфазной поверхности и сферическими мицеллами ПАВ в дисперсионной среде.
Распределение частиц по размерам во всех моделях, за исключением настраиваемой модели кластер-кластер агрегации, соответствовало распределению по размерам капель в обратной эмульсии. В tun-CCA моделировалась агрегация монодисперсных частиц с радиусом, равным среднему радиусу в исследованных обратных эмульсиях.
Структура некоторых агрегатов, образующихся при моделировании с использованием вышеупомянутых моделей, приведена на рис. 2.
Величины фрактальной размерности расчетных агрегатов и значения порога перколяции представлены в табл. 1. При использовании модели DLCA фрактальная размерность сетчатых агрегатов вблизи порога перколяции выше, Рис. 2. Структура агрегатов, образующихся при моделировании флокуляции капель, N0 = 30DLCA tun-CCA Динамика частиц Броуновская динамика Монте-Карло (N = 6) чем Df эмульсионных флокул.
Таблица Это связано с тем, что распоСравнение характеристик эмульсионных флокул и агрегатов, построенных с использованиложение частиц в цепях агреем различных моделей кинетики коагуляции гата более редкое, чем в Структура фло- Порог эмульсионных флокулах. УвеDf кул или тип мо- перколяличение фрактальной размердели ции ности при возрастании колиОбратная эмульсия ( = 0,3) чества частиц в модельной Сетчатая 1,810,ячейке достигалось не за счет 0,25-0,Промежуточная 1,890,более плотного расположения Глобулярная 1,940,частиц в цепях, а из-за уменьСтохастические модели шения пористости агрегатов DLСA 1,9650,003* 0,320,вблизи стенок модельной RLCA (вероят- ячейки.
- 1,7800,005** ность 0,0001) Расчеты по модели реtun-CCA 1,81 0,60 0,акционно-контролируемой агДинамические модели регации позволяют получать Динамика частиц 1,9780,002* 0,170,кластеры с более плотным расположением частиц, но Смешанные модели только при низкой вероятноБроуновская 1,9590,003* 0,280,динамика сти слипания частиц, что нехарактерно для обратных Монте-Карло (1,55-1,98) (0,10-0,40) (алгоритм эмульсий, в которых потенци0,01*** 0,Метрополиса) альный барьер невысокий.
*Значения фрактальной размерности агрегаНастраиваемая модель тов при = 0,3, ** при = 0,1, *** при = кластер-кластер агрегации 0,1-0,может быть использована для построения кластеров с заранее заданной фрактальной размерностью, соответствующей фрактальной размерности эмульсионных флокул. Однако порог перколяции по данной модели значительно выше, чем в обратных эмульсиях.
При использовании метода динамики частиц происходило образование квазистабильных кластеров с фиксацией во вторичном минимуме, что не характерно для исследованных обратных эмульсий. С течением времени протекала медленная агрегации таких кластеров с формированием сетчатой структуры.
Значение Df агрегатов значительно превышало Df эмульсионных флокул, а порог перколяции был намного ниже, чем в обратных эмульсиях.
В случае моделирования по методу броуновской динамики агрегация капель адекватно описывалась уравнением Смолуховского. Происходило формирование сетчатых структур, подобных эмульсионным флокулам на микрофотографиях сколов. Порог перколяции соответствовал концентрационному диапазону формирования сетчатой структуры в обратных эмульсиях. Величина фрактальной размерности агрегатов превышала Df эмульсионных флокул.
Структура агрегатов, образованных при расчетах по методу броуновской динамики и DLCA сходна. Это свидетельствует о том, что, несмотря на действующие в системе силы притяжения и отталкивания, большую роль играла стохастическая составляющая, обусловленная броуновским движением частиц.
При использовании метода Монте-Карло с алгоритмом Метрополиса скорость слипания агрегатов становилась практически равной нулю на конечных стадиях агрегации, и система достигала квазиравновесного состояния. Подобное состояние отличалось от квазистабильных кластеров, получаемых в методе динамики частиц, так как формировались крупные агрегаты, по размерам приближающиеся к размерам модельной ячейки.
Таким образом, для описания кинетики коагуляции в обратных эмульсиях наиболее подходящими являются модель броуновской динамики и метод МонтеКарло по алгоритму Метрополиса. Метода Монте-Карло позволяет прогнозировать концентрационные диапазоны формирования сетчатой структуры в обратных эмульсиях: образование квазиравновесных агрегатов и гелеобразной пространственной сетки флокул. Скорость агрегации в обратных эмульсиях адекватно отражает модель броуновской динамики. Порог перколяции при использовании данной модели и в обратных эмульсиях практически совпадают.
Глава 2. Разработка составов концентрированных обратных эмульсий со структурированной дисперсионной средой. Кинетика расслаивания На основании данных о различных способах структурирования дисперсионной среды эмульсий анализируются возможность их использования для обратных эмульсий. Приводятся данные о кинетике расслаивания обратных эмульсий, в которых коагуляция капель внутренней фазы приводит к седиментации флокул, переходящей в структурную седиментацию.
На рис. 1 и 3 представлены микрофотографии эмульсии с исходной долей внутренней фазы 0,3 на различных стадиях отслаивания органической фазы. С течением времени сетка, образованная флокулами капель внутренней фазы, (рис.
1) уплотнялась, и доля внутренней фазы в нерасслоившейся части обратной эмульсии увеличивалась. Через ~100 сут выдерживания при температуре 2025 С эмульсия состояла из плотно упакованных капель Рис. 3. Микрофотографии обратной эмульсии с 0 = 0,3 через 100 (а), 200 (б) и 250 сут (в) выдерживания при 20-25 С сферической формы (рис. 3а). С течением времени доля внутренней фазы в нерасслоившейся части таких эмульсий увеличивалась и достигала 0,8-0,9 (рис. 3б). Дальнейшее уплотнение в результате действия силы тяжести приводило к коалесценции капель внутренней фазы (рис. 3в).
Чем больше доля водной фазы в обратных эмульсиях, тем ниже скорость отслаивания органической фазы. Однако при этом снижается расстояние между каплями, и возрастает вклад коалесценции в расслаивание эмульсий. Поэтому необходимо оптимизировать соотношение фаз в обратных эмульсиях с точки зрения их агрегативной и седиментационной устойчивости.
На рис. 4 показаны зависимости периода полуотслаивания водной фазы от 0 из обратных эмульсий с разКонцентрация личной концентрацией сорбитаносорбитанолеата (М):
4леата. При более высоких долях 0,t1/2, ч внутренней фазы количество ПАВ 0,недостаточно для стабилизации 30,всех капель, образовавшихся в ре0,зультате диспергирования. В та0,2ких системах протекала быстрая коалесценция капель внутренней 1фазы до достижения предельной адсорбции на межфазной поверхности. В результате получались 0,4 0,5 0,6 0,7 0,Доля внутренней фазы эмульсии с более крупными каплями, которые были менее устой- Рис. 4. Зависимости периода полуотслаивания водной фазы при 25 С от чивы к коалесценции.
При малых долях внутренСПАВ в дисп. среде, М ней фазы, когда граница раздела фаз в эмульсии предельно заполkcoal 5 -нена молекулами ПАВ, избыток -потенциал -эмульгатора распределялся в дисперсионной среде эмульсий в виде -мицелл. Устойчивость таких -эмульсий к коалесценции снижа-лась. На рис. 5 показана зависимость константы скорости коалес-ценции от концентрации ПАВ, а 0 также зависимость -потенциала 0,0 0,2 0,4 0,СПАВ, М капель внутренней фазы при 25 С Рис. 5. Зависимости константы скорости от содержания сорбитанолеата в коалесценции и -потенциала капель дисперсионной среде. Увеличение внутренней фазы от концентрации сорконцентрации ПАВ в органичебитанолеата ской фазе обратных эмульсий в диапазоне концентраций до ККМ2 сопровождалось уменьшением -потенциала водных капель. Энергия отталкивания капель внутренней фазы уменьшалась, что при водило к более быстрой флокуляции и последующей седиментации.
Положения максимумов на кривых (рис. 4) связаны с предельным заполнением адсорбционного слоя ПАВ, что подтверждено расчетами с использованием данных о предельной адсорбции в двухфазной неэмульсионной системе и величине межфазной поверхности в исследованных эмульсиях. Наибольшей устойчивостью к коалесценции характеризовались обратные эмульсии с 0 = 0,65, стабилизированные как сорбитанолеатом, так и хостацерином ДГО.
Зависимости скорости седиментации от доли внутренней фазы в нерасслоившейся части обратной эмульсии, стабилизированной сорбитанолеатом, приведены на рис. 6. На начальных стадиях скорость отслаивания органической фазы была высокой. Это связано с тем, что в эмульсиях еще не полностью сформировалась сетка капель внутренней фазы. Имелись локальные области органической фазы, пространственно не ограниченные флокулами водных капель, поэтому некоторая часть внешней фазы эмульсий отслаивалась. При образовании сплошной сетки флокул скорость отслаивания органической фазы резко снижалась. Однако, даже при высоких долях внутренней фазы 0,7-0,8 имелся начальный участок, на котором происходило заметное отслаивание органической фазы.
-потенциал, мВ 0,0,-coal k Х10, с Наиболее эффективным способом Начальная доля снижения скорости седиментации являетвнутренней фазы:
ся структурирование органической фазы 0,2 0,обратных эмульсий - при образовании 0,4 0,сетки органогеля, жидких кристаллов, 0,6 0,0,дисперсии твердых частиц с различной концентрацией вплоть до полного отвердевания органической фазы. В данной работе проводилось структурирование дис0,1 0,3 0,5 0,7 0,персионной среды обратных эмульсий Текущая при образовании органогеля из упорядоРис. 6. Скорость седиментации в обратных эмульсиях, стабилизированченных твердых частиц - парафина, ценых сорбитанолеатом тилового спирта, моноглицеринстеарата, мицеллярного органогеля лецитина, Таблица полимерного органогеля полиэтилеКонцентрационные диапазоны на, полипропилена, эмульгатора Т-2.
образования органогелей и других структур в углеводородном масле Области образования различных ВеществоКонцен- структур веществами-структурообраТип структуротрация, зователями в углеводородном масле структуры образователь мас.% были определены по реологическим и ДТЧ 1,5-5,Парафин оптическим свойствам систем (табл.
ТС >5,2).
Цетиловый ДТЧ 0,5-3,На рис. 7 показаны зависимоспирт ТС >3,сти Vсед от концентрации веществОГ ДТЧ ~1,0-5,Моноглицеструктурообразователей в дисперсиринстеарат ТС >5,онной среде эмульсий с долей внутМицеллярЛецитин >1,ренней фазы 0,30 и 0,65. Скорость сеный ОГ ПОГ (0)-2,диментации резко снижалась при обПолиэтилен ТС >2,разовании в дисперсионной среде обПолипропи- ПОГ (0)-1,ратных эмульсий с 0 =0,30 полимерлен ТС >1,ного органогеля полиэтилена и полиПОГ (0)-пропилена и дисперсии твердых чаЭмульгатор Т-2 ТС >стиц цетилового спирта. При образоДТЧ - дисперсия твердых частиц, ТС - вании мицеллярного органогеля лецитвердообразная система, ОГ - органотина и дисперсии твердых частиц пагель, ПОГ - полимерный органогель -Vсед Х 10, с рафина происПарафин Лецитин а) б) 4 0,ходило замедлеЦетиловый спирт Полиэтилен ние седиментаЛецитин Полипропилен 3 0,Полиэтилен Глицеринстеарат ции, но требоваПолипропилен Эмульгатор Т-лись более вы0,сокие концентрации веществ1 0,структурообразователей > 1015 мас.%.
0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 Концентрация, мас.% Концентрация, мас.% ВключеРис. 7. Зависимости скорости седиментации от концентрации ние веществвеществ-структурообразователей в дисперсионной среде обструктурообраратных эмульсий с начальной долей внутренней фазы 0,30 (а) зователей в диси 0,65 (б) персионную среду обратных эмульсий с 0 = 0,65 также сопровождалось снижением Vсед, но эффект проявлялся при более высоких концентрациях структурообразователей.
Это связано с тем, что в таких системах происходила быстрая флокуляция, формировались флокулы большего размера, и требовалось создание более прочных структур в дисперсионной среде для существенного снижения скорости седиментации.
Микрофотографии обратных эмульсий, содержащих 5 мас.% парафина или 1 мас.% полиэтилен в дисперсионной среде, через 1 сут после получения показаны на рис. 8. В прослойках дисперсионной среды между флокулами капель внутренней фазы видны характерные ступенчатые структуры, образованные пластинчатыми кристаллами парафина (рис. 8а), и разветвленные ламеллярные структуры кристаллов полиэтилена (рис. 8б).
В табл. 3 приведены характеристики концентрированных обратных эмульсий с различными струк- Рис. 8. Микрофотографии обратных эмульсий с 5 мас.% парафина (а) и 1 мас.% турами в дисперсионной среде. В полиэтилена (б) в дисперсионной среде;
эмульсиях с более низкой долей доля внутренней фазы - 0,--сед сед V Х 10, с V Х 10, с внутренней фазы увеличение времени до начала отслаивания орг. фазы происходило при включении в дисперсионную среду 3-5 мас.% полиэтилена, полипропилена, лецитина или цетилового спирта.
В эмульсиях с Таблица Сравнительная характеристика обратных эмульсий 0 = 0,65 структурис различными типами структур в дисперсионной среде рование дисперсионДоля внутренней Органоной среды приводило фазы в эмульсии лептиВещество- к существенному уве0 = 0,30 0 = 0,Тип ческий структуроличению времени до струк- Концентрация ве- показаобразоватуры щества-структуро- тель начала отслаивания тель образователя, мас.% эмульорганической фазы в сий С* С** эмульсиях с органоПарафин 12,5 --- - гелями полиэтилена и Цетиловый 5,5 --- + полипропилена. Таспирт ДТЧ Моногликие эмульсии харак--- 10,0 церинстеатеризуются высокой рат адгезией к коже челоМицеЛецитин 4,5 >10,0 + лярный века и не смываются в ОГ течение длительного Полиэтилен 4,5 4,5 - времени, что позволяПолипро3,5 3,5 - ПОГ ет их использовать в пилен Эмульгатор качестве основы за--- 9,0 Т-щитно-профилактиС* и С** - значения концентраций структурообразоческих кремов.
вателя, при которых t0орг превышает 10 сут и 60 сут, соответственно По органолептическому показателю наиболее подходящие эмульсии с цетиловым спиртом, которые обладают дополнительным преимуществом - при температуре хранения дисперсионная среда твердообразная, при нанесении на кожу человека цетиловый спирт плавится, и дисперсионная среда становится жидкой. Т.е. не происходит замедления диффузии веществ при использовании таких эмульсий для трансдермальной доставки лекарственных препаратов или защиты кожи от токсичных веществ.
Таким образом, различные типы структурирования дисперсионной среды позволяют существенно увеличить устойчивость обратных эмульсий к седиментации. В зависимости от планируемой области применения могут быть использованы обратные эмульсии с органической средой, представляющей собой полимерный или мицеллярный органогель, дисперсию твердых частиц.
Глава 3. Оствальдово созревание в обратных эмульсиях В данной главе анализируются способы снижения скорости оствальдова созревания в эмульсиях, анализируется влияние концентрации ПАВ на скорость оствальдова созревания и обсуждается роль мицелл в переносе вещества между каплями внутренней фазы.
При разработке теории Лифшица-Слезова-Вагнера (ЛСВ) не учитывалось присутствие в дисперсной системе других компонентов, в том числе и ПАВ. При наличии мицелл в дисперсионной среде эмульсий в них происходит солюбилизация веществ, входящих в состав капель дисперсной фазы. Поэтому мицеллы могут быть переносчиками вещества, особенно при очень низкой растворимости диффундирующих веществ в дисперсионной среде эмульсий.
В прямых эмульсиях процесс оствальдова созревания исследован достаточно всесторонне, на примере эмульсий стабилизированных различными ПАВ.
О скорости оствальдова созревания в обратных эмульсиях имеются лишь ограниченные сведения. Известно, что при высокой ионной силе во внутренней фазе обратных эмульсий оствальдово созревание отсутствует. Обратные эмульсии с низким содержанием электролитов, с дистиллированной водой в дисперсной фазе являются неустойчивыми по отношению к изотермической перегонке.
В данной работе было проведено изучение механизма переноса воды через неполярную органическую фазу обратных эмульсий в следующих системах:
двухфазная система - перенос воды между отдельными каплями внутренней фазы в полидисперсной эмульсии типа В/М, трехфазная система В/М/В, состоящая из об0 ратной эмульсии и внешней водной фазы - 0 20 40 60 транспорт веществ из капель внутренней фазы Время, сут эмульсии во внешний водный раствор или обРис. 9. Зависимость куба ратный перенос из внешнего водного раствора среднего радиуса капель в капли внутренней фазы обратной эмульсии.
внутренней фазы в обратВ двухфазной системе - в обратной ной эмульсии от времени r Х, м эмульсии с дистиллированной водой во Начальная концентрация внутренней фазе - зависимость r от вре- NaCl во внутренней фазе I, M эмульсий:
мени была линейной в интервале времени 0,2 0,9 1,0-50 сут (рис. 9). Скорость оствальдова со2,6 3,зревания в обратной эмульсии составила 2,1Х10-26 м3/с. По уравнению ЛСВ было рассчитано значение коэффициента диффузии (D) воды в дисперсионной среде обратной эмульсии при оствальдовом созревании (табл. 4).
Для установления механизма пере0 10 20 30 40 носа воды в органической фазе обратных Время, ч эмульсий были проведены исследования Рис. 10. Изменение ионной силы раствора во внутренней водной переноса воды и родамина С в трехфазфазе эмульсий из-за диффузии ной системе. При контактировании обводы из внешней водной фазы ратной эмульсии с водным раствором (дистиллированная вода) можно изменять интенсивность переноса воды, варьируя величину градиента концентраций электролита между внутренней и внешней водной фазами, а также создать условия для транспорта воды в различных направлениях.
Транспорт воды в обратные эмульсии приводил к снижению ионной силы раствора во внутренней фазе (рис. 10). С использованием уравнения нестационарной диффузии был рассчитан D воды в органической фазе обратных эмульсий (табл. 4).
Родамин С нерастворим в дисперсионной среде исследованных обратных эмульсий, но он солюбилизируется в обратных мицеллах сорбитанолеата. По кинетическим зависимостях изменения концентрации родамина С во внешней водной фазе в системе В/М/В были рассчитаны значения D, приведенные в табл.
4. Для сравнения были Таблица Коэффициенты диффузии воды и родамина С (м2/с) рассчитаны коэффициДиффун- Молеку- Оствальдово Диффузия енты молекулярной дирующее лярная созревание в в системе диффузии воды и родавещество диффузия эмульсии В/М В/М/В мина С в углеводородВода 5,4Х10-11 3,7Х10-12 0,3Х10-ном масле по уравнеРодамин С 0,7Х10-11 - 1,6Х10-нию Вильке-Ченга.
Значения D воды в органической фазе обратных эмульсий и в трехфазной системе на несколько порядков меньше коэффициентов молекулярной диффузии.
При этом D воды и родамина С в органической фазе эмульсий совпадали по порядку величины, причем родамин С мог транспортироваться через органическую фазу только в солюбилизированном виде. Такие низкие значения D, значительно меньшие, чем при молекулярной диффузии, характерны для диффузии веществ, входящих в состав коллоидных частиц. Неравновесное состояние в эмульсиях сопровождалось переносом веществ через границы раздела фаз, что приводило к возникновению межфазной нестабильности. В результате на границе раздела фаз происходило спонтанное эмульгирование, приводящее к образованию капель наноэмульсии (рис. 11). В эмульсии, в которой оствальдово созревание протекало в течение 1 сут, вся дисперсионная среда заполнена мелкими каплями размером ~ 20 нм. Через 15 сут мелкие нанокапли остаются в обратной эмульсии на поверхности более крупРис. 11. Микрофотографии обратных капель, но в значительно меньшем ных эмульсий, в которых протекало оствальдово созревание в течение количестве.
1 сут (а), 15 сут (б) Таким образом, основным переносчиком воды в органической фазе обратных эмульсий являются капли наноэмульсии или солюбилизированные мицеллы. Вода также может транспортироваться отдельными молекулами ПАВ, но этот механизм не является превалирующим.
Так как обратные эмульсии с низким содержанием электролитов являются неустойчивыми по отношению к изотермической перегонке, были рассчитаны концентрационные диапазоны электролитов, в которых оствальдово созревание влияет на устойчивость обратных эмульсий. Давление, действующее на поверхность капель внутренней фазы в обратных эмульсиях, определяется давлением Лапласа, обусловленного кривизной поверхности капель; осмотическим давлением, возникающем при наличии электролитов в водных каплях; осмотическим давлением капель в эмульсии, резко возрастающем при деформации капель.
При достижении состояния квазиравновесия химические потенциалы основного компонента капель внутренней фазы выравниваются, соответственно, выравниваются значения суммарного давления, действующего на поверхность капель внутренней фазы, и перенос веществ прекращается.
Диапазоны концентраций электролитов были условно разделены на:
C < C1 - количество капель в эмульсии уменьшается; C1 < C < C2 - количество капель постоянно, происходит перераспределение капель по размерам; C > C2 - средний размер капель изменяется менее чем на 1%.
Концентрация C1 является критической концентрацией электролитов. Если концентрация электролитов выше C1, то количество капель внутренней фазы в обратной эмульсии остается неизменным, ниже этой концентрации снижается.
При проведении расчетов были использованы следующие распределения капель внутренней фазы по размерам - экспериментальное, соответствующее распределению капель по размерам в исследованных обратных эмульсиях, логнормальное, нормальное и стационарное ЛСВ.
На рис. 12 приведены экспериментальное исходное и равновесные распределения капель по размерам. Уменьшение концентрации NaCl во внутренней фазе приводило к снижению величины максимума и расширению распределения.
При этом общее количество капель в эмульсии оставалось постоянным. Концентрация NaCl, равная 0,0118 М, являлась критической, ниже этой концентрации количество капель в эмульсии уменьшалось.
C*/C1,Распределения:
f (r/r0) 1 - Исходное, 1, Равновесные при СNaCl:
0, 2 - 0,05 М 3 - 0,02 М 0, 4 - 0,0118 М 0,0,2 20,40,60,0 d, нм 0,C0, M 0 1 2 Рис. 13. Расчетное соотношение r / rравновесной и начальной конценРис. 12. Экспериментальное истрации NaCl в каплях внутренней ходное и равновесные распредефазы при квазиравновесии в завиления капель по размерам при симости от начального диаметра различных начальных концентра капель и начальной концентрации циях NaCl во внутренней фазе NaCl На рис. 13 показано изменение концентрации NaCl в каплях внутренней фазы после перераспределения воды. В крупных каплях уменьшение концентрации невелико. В каплях, диаметром менее 100 нм, происходило резкое увеличение концентрации NaCl, в самых мелких каплях увеличение концентрации достигало ~45 раз.
Критическая концентрация электролитов в исследованных обратных эмульсиях зависела от величины коэффициента асимметрии (1) исходного распределения (рис. 14). Зависимости имели линейный характер, с увеличением критическая концентрация C1 снижалась, C2 - увеличивалась.
С1, М С2, М Логнормальное ЛСВ Эксперимент 0,016 0,Нормальное 0,00,1 Нормальное Эксперимент ЛСВ Логнормальное 0,00,-1,5 -0,5 0,5 1,-1,5 -0,5 0,5 1,Коэф. ассиметрии Коэф. ассиметрии Рис. 14. Зависимости критических концентраций электролита от коэффициента асимметрии исходного распределения по размерам Таким образом, в эмульсиях с логнормальным распределение требуется меньшая концентрация электролита, чтобы количество капель не уменьшалось в результате протекания оствальдова созревания. Для полного предотвращения оствальдова созревания необходимы более высокие концентрации электролита.
Устойчивость обратных эмульсий к оствальдову созреванию зависит, в том числе, и от типа электролита, растворенного во внутренней фазе. В данной работе были проведены расчеты критических концентраций C1 и C2 в эмульсиях, содержащих во внутренней фазе KCl, CaCl2, Na2SO4, MgSO4. Концентрация Cпрактически не зависела от типа электролита. C2 возрастала в ряду NaCl < KCl < CaCl2 < Na2SO4 < MgSO4.
Укрупнение капель в результате оствальдова созревания оказывает влияние на устойчивость обратных эмульсий как к коалесценции, так и к а) NaCl б) седиментации.
2NaCl На рис. 15 приKCl KCl ведены зави160 CaClCaClNa2SO4 симости времени Na2SO1MgSOдо начала отсла4 MgSOивания органической фазы и скорости седиментации при 0 0,03 0,06 0,0 0,03 0,06 0,20 С от конценC, M C, M трации электроРис. 15. Зависимости времени до начала отслаивания (а) и скорости отслаивания органической фазы (б) от концентралита. Пунктирции электролита во внутренней фазе обратных эмульсий;
ная линия соотпунктирная линия - Cветствует критической концентрации C1 электролита во внутренней фазе. В диапазоне концентраций C < C1 t0орг практически равно нулю. Рост концентрации электролита при C > C1 приводил к резкому увеличению t0орг. Скорость седиментации значительно уменьшалась в интервале концентраций C < C1. При более высоких концентрациях электролитов Vсед продолжала снижаться, но в меньшей степени.
Повышение концентрации электролита во внутренней фазе концентрированных обратных а) NaCl б) эмульсий приводило к 3значительному увелиKCl чению устойчивости к CaCl2коалесценции (рис. 16). Na2SOMgSONaCl В диапазоне C < C1 t1/2 2KCl резко возрастал, при CaCl1более высоких конценNa2SOтрациях электролитов MgSO1устойчивость увеличи0 0,03 0,06 0,0 0,03 0,06 0,валась, но менее интенC, M C, M сивно. Константа скоРис. 16. Зависимости периода полуотслаивания водрости коалесценции ной фазы (а) и константы скорости коалесценции (б) от концентрации электролита во внутренней фазе обуменьшалась в диапаратных эмульсий; пунктирная линия - критическая зоне C < C1. При более концентрация C-орг t, сут сед V Х10, с -1/t, сут coal k Х10, с высоких концентрациях электролита изменения kcoal были менее значительны.
В более широком диапазоне концентраций на зависимостях параметров устойчивости эмульсий от концентрации электролитов во внутренней фазе также имелись перегибы, соответствующие расчетным значениям C2.
Таким образом, при критических концентрациях электролитов изменялся характер расслаивания исследованных концентрированных обратных эмульсий, устойчивость к седиментации и коалесценции резко возрастала.
Глава 4. Получение наноэмульсий в обратных эмульсиях На основании литературных данных проведен анализ способов получения наноэмульсий, особенностей высокоэнергетического и низкоэнергетического эмульгирования. Показано, что ни один из существующих в настоящее время методов не позволяет получать обратные наноэмульсии с высокой долей внутренней фазы.
В данной работе был разработан новый комбинированный метод получения обратных наноэмульсий, включающий стадии высокоэнергетического и низкоэнергетического эмульгирования. Схема процесса показана на рис. 17.
На первой стадии проУглеводородное Водный раствор (0,15 М цесса при использовании высомасло + ПАВ NaCl) + наноэмульгатор коэнергетического перемешиВысокоэнергетическое вания происходит образование эмульгирование:
обратной эмульсии, содержаДиспергирование 3000 об/мин щей во внутренней фазе специОбратная альные вещества-наноэмульэмульсия d~250 нм гаторы. Средний диаметр каВодный раствор (0,15 М NaCl) пель в эмульсии составляет Низкоэнергетическое ~250 нм. На второй стадии эмульгирование:
Контактирование с процесса проводится низковнешней водной фазой энергетическое эмульгироваОбратная эмульсия ние. Эмульсию В/М контактис бимодальным расруют с внешним водным распределением капель твором, имеющим такой же сопо размерам d~250 нм dНЭ = 17-25 нм став, что и капли внутренней Рис. 17. Схематическое изображение процесса фазы в эмульсии, но не содерполучения обратных наноэмульсий комбинижащим вещества-наноэмульрованным методом гаторы.
Из-за наличия градиента концентраций веществ-наноэмульгаторов между внутренней и внешней водной фазами происходит их диффузия через межфазную по- Рис. 18. Капли наноэмульсии, образовавшиеся при диффузии этанола C = 1,5 М (а) и 2,5 М (б) верхность, приводящая к формированию в большом количестве водных капель нанометровых размеров.
В качестве веществ-наноэмульгаторов использовались этиловый спирт и диэтиловый эфир. Диффузии этанола из-за наличия градиента концентраций C = 1,5 М приводила к формированию капель наноэмульсии, которые образовывали сплошной слой на поверхности капель (рис. 18а). При увеличении C до 2,5 М процесс образования наноэмульсии происходил более интенсивно. На границе раздела фаз формировалось многослойное покрытие, состоящее из гроздьев нанокапель (рис. 18б).
На рис. 19 показаны кривые распределения капель внутренней фазы по размерам. В исходной эмульсии размер капель варьировался от 50 до 700 нм, 0,1 - Исходная средний диаметр составлял 250 нм. Диф эмульсия, фузия этанола через органическую фазу 0,3 Эмульсия с приводила к формированию нанокапель с нанокаплями:
2 - С = 1,5 М, диаметром 17-25 нм. На кривых распре0,3 - С = 2,5 М деления по размерам появлялся второй пик, высота которого зависела от гради0,ента концентраций этанола между внутренней и внешней водными фазами.
В результате формирования капель 0 200 400 6наноэмульсии удельная межфазная поДиаметр, нм верхность в обратных эмульсиях сущеРис. 19. Кривые распределения капель по размерам в исходной эмуль- ственно возрастала. Так, в случае диффусии и после диффузии этанола зии этанола при градиенте концентраций Доля C = 2,5 М удельная межфазная поверхность увеличивалась от 1,10Х107 м-1 до 1,85Х107 м-1.
При использовании в качестве вещества-наноэмульгатора диэтилового эфира также происходило образование капель наноэмульсии, но в меньшем количестве, чем в эмульсиях с этанолом.
По зависимостям изменения концентрации веществ-наноэмульгаторов во внешней водной фазе были рассчитаны коэффициенты диффузии этанола и диэтилового эфира в органической фазе обратных эмульсий с использованием уравнения нестационарной диффузии. Коэффициент диффузии этанола оставался практически постоянным при протекании диффузии в течение ~ 1 ч. Для диэтилового эфира кинетическая кривая была разделена на интервалы: t = 0-15 мин - D уменьшался и 15 < t < 45 мин - D был практически постоянным. Коэффициенты молекулярной диффузии рассчитывались по уравнению Вильке-Ченга. Полученные значения приведены в табл. 5.
Отношения коэффициенТаблица тов молекулярной диффузии и Коэффициенты диффузии этанола и диэтилового эфира (м2/с) экспериментальных в органичеВремя ской фазе системы В/М/В преДиффун- Молеку- Диффузия диффувышали 1000. Это подтверждает, дирующее лярная в системе зии, вещество диффузия В/М/В что транспорт этанола и диэтиломин вого эфира через органическую Этанол > 0 3,0Х10-11 1,8Х10-фазу осуществлялся каплями 0 15,7Х10-наноэмульсии. В начальные мо5 6,0Х10-Диэтиломенты времени определенный 2,1Х10-вый эфир 10 2,7Х10-вклад вносила молекулярная > 15 1,2Х10-диффузия диэтилового эфира, растворенного в органической фазе. В последующие - перенос диэтилового эфира осуществлялся в основном каплями наноэмульсии.
Капли наноэмульсии, образующиеся при диффузии этанола и диэтилового эфира, концентрируясь вокруг капель, образуют структурно-механический барьер, препятствующий их коалесценции. В результате устойчивость эмульсий к коалесценции существенно возрастает. На рис. 20 представлены кривые расслаивания обратных эмульсий в зависимости от времени диффузии этанола. Расслаивание эмульсий характеризовалось наличием двух диапазонов - быстрое отслаивание части внутренней фазы, незначительно стабилизированной каплями наноэмульсии, и медленное отслаивание оставшейся части. Чем больше время Орг. фаза:
1t = 0 ч t1/2, ч III 0,25 ч 1 ч 0,II I 0,Водн.
0,фаза:
t = 0 ч 0,0,25 ч 1 ч 1 1,5 2 2,C, M 0 50 100 1Рис. 21. Влияние концентрации Время, ч этанола на период полуотслаивания Рис. 20. Кинетика расслаивания водной фазы при 70 С в эмульсиях при 70 С обратных эмульсий с после контактирования с внешней этанолом после различного по водной фазой и не подвергавшихся длительности контактирования с контакту (сплошная линия); 0, I, II и внешней водной фазой III - количество контактирований диффузии этанола, тем с меньшей скоростью происходило отслаивание водной фазы, стабилизированной нанокаплями.
При увеличении числа контактирований с внешней водной фазой устойчивость эмульсий к коалесценции резко увеличивалась и была существенно выше, чем стабильность эмульсий с такой же концентрацией этанола, но не содержащих капли наноэмульсии (рис. 21).
Таким образом, разработанный комбинированный метод позволяет получать обратные эмульсии с высокой удельной межфазной поверхностью. Образование структурно-механического барьера из нанокапель приводит к существенному возрастанию устойчивости обратных эмульсий к коалесценции.
Глава 5. Практическое использование концентрированных обратных эмульсий с нанокаплями и со структурированной дисперсионной средой Исследованные обратные эмульсии наиболее перспективны для использования в медицине, фармакологической и косметической промышленности, в охране окружающей среды. Эмульсии с нанокаплями обладают высокой межфазной поверхностью, поэтому они могут быть использованы для экстракции веществ, обладающих поверхностно-активными свойствами, например, для извлечения холестерина из биологических жидкостей. Извлекаемый холестерин растворялся в фазах обратной эмульсии и адсорбировалсяся на границах раздела фаз капель исходной обратной эмульсии и нанокапель, сформированных в проДоля расслоившихся фаз цессе экстракции в результате ча25 стичной диффузии этанола и диэтилового эфира в биологическую жидкость.
На рис. 22 показана зависимость степени извлечения холесте3 рина от соотношения этилового спирта и диэтилового эфира в об4 ратной эмульсии, стабилизирован4 : ной хостацерином ДГО. Макси0 мальная степень извлечения холе0 1 1:Сэтанол= 3 М Сдиэт.эфир= 3 М стерина достигалась при мольном Рис. 22. Влияние соотношения этанола и соотношении этанола и диэтилового диэтилового эфира на степень извлечения холестерина обратными эмульсиями из эфира 4:1. На зависимостях межфазплазмы крови (1) и межфазное натяжение ного натяжения на границе раздела в двухфазной неэмульсионной системе при концентрациях хостацерина ДГО изотонический фосфатный буфер(моль/л): 0 (2), 0,4Х10-6 (3) и 1,2Х10-6 (4) ный раствор / углеводородное масло (двухфазная неэмульсионная система) имелись минимумы при мольном соотношении веществ-наноэмульгаторов, равном 4:1, соответствующие максимуму на зависимости степени извлечения холестерина. По мере увеличения концентрации ПАВ до величины 1,2Х10-6 моль/л, соответствующей предельной адсорбции, глубина минимумов уменьшалась.
При экстракции холестерина из биологических жидкостей в результате диффузии веществ-наноэмульгаторов возникает межфазная нестабильность, приводящая к формированию капель наноэмульсии. Концентрация ПАВ на межфазной поверхности временно уменьшается. В этом случае молекулы этанола и диэтилового эфира адсорбируются на границе раздела фаз, снижая межфазное натяжение и способствуя дальнейшему образованию нанокапель.
Так как молекулы холестерина обладают поверхностно-активными свойствами, они могут встраиваться в обратные мицеллы в органической фазе обратных эмульсий. На рис. 23 представлены зависимости коэффициентов распределения холестерина между обратными эмульсиями и плазмой крови. В области концентраций I ПАВ недостаточно для стабилизации, количество нанокапель, образовавшихся при диффузии веществ-наноэмульгаторов было небольшим, и они были неустойчивы. В этом диапазоне низкие коэффициенты распределения холестерина.
Межфазное натяжение, мН/м Степень извлечения, % В интервале концентраций II Концентрация все капли внутренней фазы, образосорбитанолеата, М 0 0,2 0,4 0,6 0,вавшиеся при диспергировании, стабилизированы молекулами ПАВ.
III Избыточное количество ПАВ распоK лагалось в органической фазе обратных эмульсий в виде сферических III II мицелл. К холестерина резко увелиII I чивался при возрастании концентраI ции ПАВ. В диапазоне III в диспер0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,сионной среде обратных эмульсий Концентрация хостацерина присутствовали несферические миДГО, М целлы, наблюдалось значительное Рис. 23. Зависимости коэффициентов увеличение коэффициентов распрераспределения холестерина между экстрагирующей эмульсией, стабилиделения с ростом концентраций зированной сорбитанолеатом (1) или ПАВ.
хостацерином ДГО (2), и плазмой крови ; I, II и III - пояснения в тексте Для сравнения была проведена экстракция холестерина из плазмы крови углеводородным маслом с различным содержанием ПАВ. Как видно из зависимостей, представленных Концентрация на рис. 24, наблюдалось резкое сорбитанолеата, М увеличение коэффициентов рас- 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,0,пределения холестерина при экстракции углеводородным маслом, 0,K содержащим несферические ми0,целлы, по-сравнению с экстрагенIII III 0,том со сферическими мицеллами.
II II 0,Площадь межфазной поверхности в несферических мицеллах выше, 0,чем в сферических, поэтому про- 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,Концентрация хостацерина исходило значительное увеличение ДГО, М экстракции холестерина.
Рис. 24. Зависимости коэффициентов Математическое моделиро- распределения холестерина между углеводородным маслом, содержащим вание кинетики экстракции холесорбитанолеат (1) или хостацерин ДГО стерина из биологических жидко(2), и плазмой крови стей показало, что стадиями, лимитирующими скорость процесса, являются выход холестерина из липопротеинов в водную фазу биологической жидкости, диффузия холестерина в органической фазе экстрагирующей эмульсии, адсорбция холестерина на границе раздела органическая фаза / внутренняя водная фаза эмульсии.
В случае использования обратных эмульсий в качестве защитного средства при организации процесса мембранной экстракции происходит извлечение токсичных веществ из внешней среды и фиксация их во внутренней фазе обратных эмульсий. На основе таких обратных эмульсий были произведены защитнопрофилактические кремы, защищающие кожу человека при контакте с агрессивными средами и вредными веществами как на производстве, так и в быту. В результате применения крема концентрации токсичных веществ у поверхности и внутри кожи не превышают соответствующих порогов вредного действия.
Нанокапли, образующиеся при диффузии веществ-наноэмульгаторов, являются как аккумуляторами этих соединений, так и переносчиками между водными фазами. Аналогичную роль нанокапли могут играть при трансдермальном массопереносе веществ. Для эффективного проникновения сквозь роговой слой кожи человека переносчики должны быть деформируемы, и иметь размеры в поперечном сечении не более 20-40 нм. Полученные наноэмульсии соответствую этим требованиям, их диаметр составляет 17-25 нм. При включении в состав нанокапель специальных веществ они могут быть использованы для доставки лекарственных препаратов в организм человека. Например, обратные эмульсии, содержащие нитроглицерин и инкапсулированый в нанокаплях эуфиллин, могут применяться для улучшения периферического кровообращения.
Использование обратных эмульсий со структурированной дисперсионной средой в качестве защитно-профилактических кремов, в косметических средствах позволяет обеспечить пролонгированное действие за счет контролируемой диффузии через органическую фазу и при этом существенно повысить срок хранения таких препаратов за счет увеличения устойчивости дисперсных систем.
Таким образом, на основании выполненных в данной работе исследований решена научная проблема, связанная с разработкой научных основ получения высокостабильных концентрированных и близких к высококонцентрированным обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью, имеющих важное значение для создания средств трансдермальной доставки лекарственных препаратов и защитно-профилактической медицины.
Выводы 1. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлен комплексный подход к созданию высокоустойчивых концентрированных, близких к высококонцентрированным обратных эмульсий с высокой удельной межфазной поверхностью. В рамках данного подхода увеличение удельной межфазной поверхности в концентрированных обратных эмульсиях осуществляется за счет создания обратной наноэмульсии; повышение стабильности обеспечивается при структурировании дисперсионной среды обратных эмульсий.
2. На основе анализа кинетических закономерностей оствальдова созревания в обратных эмульсиях и переноса веществ через органическую фазу в трехфазных системах В/М/В предложен механизм процесса. Показано, что основным переносчиком транспортируемых веществ являются капли наноэмульсии.
3. Рассчитаны диапазоны концентраций электролитов, содержащихся во внутренней фазе обратных эмульсий, в которых оствальдово созревание протекает с уменьшением общего числа капель внутренней фазы, без уменьшения числа капель - с перераспределением по размерам, практически отсутствует. Показано соответствие расчетных значений диапазонов концентраций экспериментальным данным по устойчивости обратных эмульсий.
4. Разработан комбинированный способ получения наноэмульсий в эмульсиях, включающий стадии высокоэнергетического и низкоэнергетического эмульгирования. На первой стадии процесса при использовании высокоэнергетического перемешивания происходит образование обратной эмульсии со средним диаметром капель ~ 250 нм. На второй стадии за счет диффузии веществнаноэмульгаторов через межфазную поверхность формируются капли наноэмульсии диаметром 17-25 нм.
5. Установлено, что капли наноэмульсии, образующиеся при диффузии веществнаноэмульгаторов, создают структурно-механический барьер вокруг капель, препятствующий коалесценции. В результате устойчивость концентрированных обратных эмульсий резко возрастает.
6. Разработаны составы высокоустойчивых к седиментации концентрированных обратных эмульсий со структурированной дисперсионной средой, состоящей из дисперсии твердых частиц парафина, цетилового спирта или моноглицеринстеарата, мицеллярного органогеля лецитина, полимерного органогеля полиэтилена или полипропилена.
7. В результате моделирования кинетики флокуляции капель внутренней фазы в обратных эмульсиях показано, что процессы, протекающие в обратных эмульсиях, могут быть адекватно описаны методом броуновской динамики. Величина порога перколяции, рассчитанная при использовании данной модели, соответствует значениям, полученным экспериментально для исследованных обратных эмульсий.
8. Установлены основные закономерности кинетики экстракции холестерина из биологических жидкостей обратными эмульсиями с нанокаплями. Показано, что холестерин адсорбируется на межфазной поверхности обратных эмульсий и солюбилизируется мицеллами в органической дисперсионной среде. Стадиями, лимитирующими скорость экстракции, являются выход холестерина из липопротеидов в водную фазу биологической жидкости, диффузия в органической фазе эмульсии и адсорбция на межфазной поверхности в эмульсии.
9. На основании проведенных исследований разработаны эмульсионные составы для использования в качестве защитно-профилактических кремов при контакте с токсичными веществами, для трансдермальной доставки лекарственных препаратов, для экстракции холестерина из биологических жидкостей.
Основное содержание работы
изложено в следующих статьях:
1) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Экстрагирующие эмульсии для извлечения веществ из водных сред // Успехи химии. 1991. Т. 60. № 11. С. 2422-242) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Микроэмульгирование при мембранной экстракции // Коллоидн. журн. 1991. Т. 53. № 1. С. 86-3) Шкинев В.М., Кардиваренко Л.М., Юртов Е.В., Спиваков Б.Я., Багреев В.В., Королева М.Ю. Мембранная экстракция Hg, Pb, Cd дитизоном во множественной эмульсии // Журн. неорг. химии. 1991. Т.36. № 7. С.1987-194) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Кинетика извлечения холестерина экстрагирующими эмульсиями из биологических жидкостей // Журн. физ. химии. 1994. Т.
68. № 5. С.878-85) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Кинетика расслаивания экстрагирующих эмульсий // Коллоид. журн. 1994. Т. 56. № 4. С. 588-56) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Исследование и моделирование реологических свойств концентрированных обратных эмульсий // Коллоид. журн. 1994. Т. 56.
№ 4. С. 513-57) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Перенос воды каплями нанодисперсии в обратной эмульсии // Коллоид. журн. 2003. Т. 65. № 1. С. 41-8) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Влияние ионной силы дисперсной фазы на оствальдово созревание в обратных эмульсиях // Коллоид. журн. 2003. Т. 65.
№ 1. С. 47-9) Koroleva M.Yu., Yurtov E.V. Water mass transfer in W/O emulsions // J. Colloid and Interface Sci. 2006. Vol. 297. No. 2. P. 778-710) Юpтов E.B., Королева М.Ю., Гуляева Е.В., Муpадова А.Г., Астахов M.B. Лабоpатоpные pаботы химического пpофиля для специализиpованного автомобиля "НаноТpак" // Хим. технология. 2010. Т. 11. № 3. С. 186-111) Королева М.Ю., Леошкевич И.О., Юртов Е.В. Флокуляция капель внутренней фазы в обратных эмульсиях: Эксперимент и математическое моделирование // Коллоид. журн. 2011. Т. 73. № 1. С. 50-...в монографии:
Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Emulsion for liquid membrane extraction: Properties and peculiarities / Chemical separations with liquid membranes. Eds. R.A. Bartsch, J.D. Way. ACS, Washington, USA, 1996. P. 89-1...авторских свидетельствах и патенте:
Юртов Е.В., Королева М.Ю., Сергиенко В.И., Гусева Т.В., Николюкин А.В., Маркин С.С., Лопухин Ю.М. Аппарат мембранной экстракции для детоксикации биологических жидкостей / А.С. № 1456159. Опубл. БИ № 5, 07.02. Юртов Е.В., Королева М.Ю., Сергиенко В.И., Гусева Т.В., Лопухин Ю.М.
Эмульсии для мембранной экстракции холестерина из крови / А.С. № 1587452.
Опубл. БИ № 31, 30.08. Белозерская Г.Г., Юртов Е.В., Макаров В.А., Королева М.Ю. Средство для улучшения периферического кровообращения / Патент РФ № 2246934. Опубл.
БИ № 6, 27.02.... в тезисах докладов на международных и всероссийскихконференциях 1) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Новые защитные и профилактические кремы // Сб. докл. I конф. АСИНКОМ. Владимир, 1991. С.135-12) Юртов Е.В., Сергиенко В.И., Королева М.Ю., Лопухин Ю.М. Экстрагирующие эмульсии для извлечения веществ из биологических сред // Сб. докл.
Всерос. науч. конф. "Эфферентные методы в медицине". Анапа, 1992. С.13213) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Исследование реологических характеристик экстрагирующих эмульсий // Тр. Всерос. семинара по коллоид. химии и физ.-хим.
механике. М.: Наука, 1993. С.145-14) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Emulsion for liquid membrane extraction // Proc.
ISEC'96. Melbourne, Australia, 1996. Vol. 2. P. 923-95) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu., Gordova A.F. Liquid membrane extraction of cholesterol in multiple emulsion // Proc. ISEC'96. Melbourne, Australia, 1996. Vol. 2.
P. 929-96) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Methods of extracting emulsion stabilization // Proc.
Intern. Solvent extraction Symposia. Moscow, 1998. P. 249-27) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Cholesterol recovery from blood by extracting emulsions with reversed micelles // Proc. Intern. Solvent extraction Symposia. Moscow, 1998. P. 379-38) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Extracting emulsions - theoretical review and practical usage / Solvent Extraction for the 21st Century. Eds. M. Cox, M. Hidalgo, M. Valente. Society of Chemical Industry, London, UK, 2001. Vol. 2, P. 573-59) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Mechanism of transmembrane water transfer and emulsion swelling / Solvent Extraction for the 21st Century. Eds. M. Cox, M. Hidalgo, M. Valente. Society of Chemical Industry, London, UK, 2001. Vol. 2. P. 971910) Юртов Е.В., Королева М.Ю. Эмульсии: свойства и применение в косметике // Современные проблемы химии и технологии косметических средств. Эмульсионные системы. Материалы семинара. РПКА. М., 2001. С. 1-11) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Нанодисперсия - переносчик воды во множественной эмульсии // Сб. науч. трудов "Структурообразование и межфазные явления в системах жидкость-жидкость", Москва, 2001, С. 249-212) Koroleva M.Yu., Yurtov E.V. Swelling and stability of emulsions in liquid membrane extraction // Proc. ISEC'02. Cape Town, South Africa, 2002. P. 748-713) Yurtov E.V., Koroleva M.Yu. Characteristic points in kinetics of water/oil emulsion breakage // Proc. XII International Conference "Surface Forces". Russia, 2002.
P. 114) Юртов Е.В., Королева М.Ю., Мурашова Н.М. Наноструктуры в системах жидкость - жидкость // Тез. докл. XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Казань, 2003. Т. 3. С. 415) Koroleva M.Yu., Yurtov E.V. Effect of electrolytes on stability of extracting emulsions // Proc. ISEC'05. Beijing, China, 2005. P. 1485-1416) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Образование обратных наноэмульсий в макроэмульсиях // Тез. докл. Межд. форума по нанотехнологиям Rusnanotech'08. Т.
2. С. 362-317) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Моделирование структуры агрегатов капель внутренней фазы в обратных эмульсиях // Тр. III междунар. конф. по коллоидной химии и физико-химической механике. Москва, 2008. С. 18) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии для капсулирования веществ // Тр.
III междунар. конф. по коллоидной химии и физико-химической механике.
М.: Ленанд, 2008. С. 19) Королева М.Ю., Юртов Е.В. Моделирование структуры агрегатов капель внутренней фазы в обратных эмульсиях // Тр. III междунар. конф. по коллоидной химии и физико-химической механике. М.: Ленанд, 2008. С. 20) Koroleva M.Yu., Yurtov E.V. Creation of nanoemulsion droplets in W/O macroemulsions // 5th World Congress on Emulsions. Lyon, France, 2010. 173.1-173.21) Koroleva M.Yu., Yurtov E.V. Simulation of aqueous droplet aggregation in W/O emulsions // 5th World Congress on Emulsions. Lyon, France, 2010. 196.1-196.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии