КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 1, с. 28-41
УДК 544.77.615.45
ИНГИБИРОВАНИЕ ОСТВАЛЬДОВА СОЗРЕВАНИЯ В МИНИЭМУЛЬСИЯХ ГЕПТАН/ВОДА © 2014 г. Н. М. Задымова, Г. А. Аршакян
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет 119992 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 3 Поступила в редакцию 09.04.2013 г.
Показано, что оствальдово созревание является причиной деградации модельных миниэмульсий гептан/вода с низким содержанием дисперсной фазы, содержащих в качестве единственного стабилизатора Твин 80 (Т\у), гидроксипропилцеллюлозу (НРС), лекарство (амлодипин (Ат) либо фело-дипин (Б)) или усилитель проницаемости кожи (глицерил моноолеат (ОМО)). Эффективность ин-гибирующего воздействия на оствальдово созревание возрастает в следующей последовательности: Ат < Т^' < ОМО < НРС < Б Проанализированы различные механизмы ингибирования оствальдова созревания гидрофильными (Т\у, НРС) и липофильными поверхностно-активными стабилизаторами (Ат, Б, ОМО), что позволило получить стабильную высококонцентрированную миниэмульсию, содержащую Б, ОМО, НРС и Т\у, перспективную для фармацевтического применения.
Б01: 10.7868/80023291214010182
ВВЕДЕНИЕ
Эмульсии с субмикронными размерами частиц обладают высокоразвитой межфазной поверхностью с избыточной свободной энергией, что обусловливает их термодинамическую неустойчивость и необходимость подбора соответствующих факторов стабилизации. Такие эмульсии являются актуальными с фундаментальной точки зрения объектами современной коллоидной химии. Стабильные субмикронные эмульсии (миниэмульсии) перспективны для использования в фармацевтике, косметологии и химической индустрии [1, 2]. В частности, миниэмульсии масло/вода (м/в) способны иммобилизовывать в дисперсной фазе липофильные лекарства, служить премиксами при получении двойных эмульсий масло1/вода/масло2 (м^в/м^, которые, в свою очередь, могут являться основой микрогетерогенных полимерных матриц с хорошей адгезией к коже для трансдермальной доставки лекарств [3].
Известно [4—10], что ключевым механизмом разрушения прямых эмульсий, характеризующихся субмикронными размерами частиц и полидисперсностью, является оствальдово созревание (ОС), называемое также изотермической перегонкой или переконденсацией. В основе этого явления лежит закон Кельвина
Сг = См ехр(Ра Ут/КГ) = Схехр(2аУт/гКТ), (1)
где Сг и Сх — соответственно растворимости капли масла с радиусом г и макрофазы (г ^ да) в диспер-
сионной среде (как правило, воде), Рст = 2аУт/г — капиллярное давление, а — межфазное натяжение, Ут — молярный объем вещества дисперсной фазы (масла), К — универсальная газовая постоянная, Т — температура (К).
Из выражения (1) следует, что растворимость мелких капель больше, нежели более крупных, следствием чего является возникновение градиента концентрации и диффузионный массопере-нос молекул дисперсной фазы в дисперсионной среде от мелких капель к более крупным. Диффузия приводит к возникновению пересыщения раствора вблизи более крупных капель, осаждению вещества на их поверхности, т.е. к дальнейшему укрупнению больших капель за счет мелких (вплоть до их исчезновения). В итоге средний размер капель эмульсии возрастает во времени, а суммарная площадь межфазной поверхности уменьшается.
Теоретическое описание ОС в дисперсной системе с однокомпонентной дисперсной фазой было приведено в работах Лифшица и Слезова [11, 12], а также Вагнера [13]. Теория Лифшица— Слезова—Вагнера (ЛСВ) основывается на следующих допущениях.
1. Частицы дисперсной фазы имеют сферическую форму, фиксированы в пространстве, расстояния между ними заметно превышают их собственные размеры (объемная доля дисперсной фазы ф ^ 0).
2. Концентрация молекулярно растворенного вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде постоянна и равна Сх, за исключением областей размером порядка г, прилегающих к частицам.
3. Скорость процесса не зависит от скорости переноса вещества через межфазную границу капля/среда, а лимитируется его молекулярной диффузией в дисперсионной среде.
В соответствии с теорией ЛСВ скорость ОС в квазистационарных условиях постоянна и определяется следующим образом [11—13]:
ю
= йтЦсИ = 8аВС^Ут/9КГ = йтЦм
(2)
где гс — критический радиус, характеризующий частицы, находящиеся в данный момент времени в состоянии неустойчивого равновесия с дисперсионной средой, при этом частицы с г < гс уменьшаются в размерах, а размеры частиц с г > гс возрастают; гср — средний радиус частиц, который аппроксимирует гс [7, 8, 14]; Б — коэффициент диффузии молекул дисперсной фазы в дисперсионной среде; концентрация Сх выражена в объемных долях [7, 8, 14—17].
В соответствии с теорией ЛСВ [11—13] ОС характеризуется линейной зависимостью куба среднего радиуса частиц от времени, а также инвариантностью во времени нормализованной функции распределения частиц Щи), когда в качестве аргумента и принимается отношение г/гс
(или г/гср). Линейность функции гср^) [14—22] и независимость от времени Ж(г/гср) [8, 23—25] являются подтверждениями того, что именно ОС определяет скорость разрушения субмикронных эмульсий м/в.
Следует отметить, что уравнение ЛСВ часто используют для анализа устойчивости мини-эмульсий, при этом в зависимости от размерности Сх его форма варьируется и может отличаться от уравнения (2). Если величина Сх выражена в
моль/м3, в уравнении (2) вместо Ут появляется У^ [18, 19]. Когда используется массовое выражение Сх, то в знаменатель уравнения (2) в качестве сомножителя вводится плотность вещества дисперсной фазы [20—22].
Согласно теории ЛСВ скорость ОС не должна зависеть от объемной доли дисперсной фазы (см. уравнение (2)), что и подтверждается экспериментально для разбавленных эмульсий (ф < 0.1). Например, для прямых эмульсий перфтордекалина с различным содержанием дисперсной фазы (ф = 0.007 и 0.1), стабилизированных Проксанолом 268, наблюдалась одинаковая скорость ОС [26]. При заметном содержании дисперсной фазы необходимо учитывать взаимодействие диффузионных полей частиц, для этого в уравнение ЛСВ вводят эмпирический коэффици-
ент к(ф) > 1, который отражает увеличение скорости переконденсации с ростом ф [27—30].
Снижение скорости ОС при уменьшении растворимости вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде, прогнозируемое теорией ЛСВ, подтверждают литературные данные [5—7, 31, 32], согласно которым эмульсии типа м/в на основе более длинноцепочечных и менее растворимых в воде углеводородов оказываются более стабильными. Например, показано [5, 32], что при одинаковых условиях получения прямые эмульсии гексадекана (стабилизатор — додецилсульфат натрия) гораздо более устойчивы, чем эмульсии гек-сана. Более того, если дисперсная фаза достаточно хорошо растворима в воде (как, например, толуол, гексан, гептан), ОС остается причиной разрушения не только субмикронных эмульсий, но и макроэмульсий (гср > 1 мкм) [10, 30]. В работе [30] переконденсацию наблюдали для эмульсий гептан/вода с размерами частиц 2—12 мкм, стабилизированных Аэрозолем ОТ, причем ее скорость уменьшалась при повышении концентрации №С1 (от 0 до 0.035 М) в дисперсионной среде.
Таким образом, для прямых эмульсий с одно-компонентной дисперсной фазой скорость ОС может быть уменьшена при использовании плохо растворимых в воде масел, а также путем снижения межфазного натяжения за счет адсорбции стабилизатора из дисперсионной среды (см. уравнение (2)).
Ингибирование изотермической перегонки в результате добавления в дисперсную фазу прямой эмульсии второго компонента, который гораздо хуже растворим в дисперсионной среде, чем основной липофильный компонент, впервые было предсказано и экспериментально проверено Хи-гучи и Мизрой [4] на примере эмульсий четырех-хлористого углерода в воде с добавкой гексадека-на (1 мас. %). Дэвис и Смит [5, 32] также обнаружили, что малые добавки (0.1—1%) декана, додекана или гексадекана заметно стабилизировали эмульсии гексан/вода. Наблюдаемый инги-бирующий эффект добавки обусловлен следующими причинами [8, 9]. Первоначально композиционный состав всех капель одинаков. Диффузионный массоперенос основного компонента (от мелких капель к более крупным) будет заметно интенсивнее, вследствие его большей растворимости в дисперсионной среде, что приведет к изменению состава капель эмульсии. В мелких каплях, где аккумулируется малорастворимая добавка, концентрация основного компонента уменьшается, тогда как в более крупных каплях его концентрация повышается. В результате, химический потенциал основного компонента в крупных каплях увеличивается, а в мелких уменьшается, что будет компенсировать разницу химических потенциалов, обусловленную различием в радиусах кри-
визны капель и являющуюся причиной ОС. При полной компенсации капиллярных эффектов концентрационными диффузионный массопере-нос прекращается. В рамках теории ЛСВ в работах Кабальнова с соавторами [33—35], посвященных изотермической перегонке в прямых эмульсиях с двухкомпонентной дисперсной фазой, эти представления получили количественное выражение.
В случае полной нерастворимости добавки (2-го компонента) в дисперсионной среде и при условии независимости межфазного натяжения от состава дисперсной фазы условием устойчивости эмульсии относительно ОС является следующее соотношение [35]:
Х02 > 2аУт1/3КТгеСр,
где Х02 и г0ср — соответственно мольная доля добавки в дисперсной фазе и средний радиус капель в начальный момент времени, Ут1 — молярный объем основного компонента дисперсной фазы.
Если второй компонент дисперсной фазы обладает малой, но конечной растворимостью в дисперсионной среде (Сот2 <§ Сх1, Сх2 Ф 0), скорость переконденсации уменьшается, но остается отличной от нулевой. При этом кинетика процесса, как и в случае систем с однокомпонентной дисперсной фазой, характеризуется линейным ростом куба среднего радиуса со временем и инвариантностью нормализованной функции распределения Ж(г/гср), однако будет определяться следующим выражением [33, 35]:
ОС определяется массопереносом добавки, т.е. уравнением (3):
ю = drljdt = 8aVmlD2CM2/992RT,
(3)
ю = drc3p/dt = (Ф1/Ю1 + Ф2/Ю2) 1,
(4)
ю
= drc3p/dt = Ю2/Ф2 =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.