膠體分散體系穩(wěn)定性的影響因素

膠粒表面電勢和電勢的物理表征由于高分散過程和多相分散，膠體分散系統(tǒng)具有高度分散的特點，因此與其他分散系統(tǒng)不同。膠體分散體系在生物界和非生物界都普遍存在,在實際生產(chǎn)和生活中占有重要地位。如在石油、冶金、造紙、橡膠、塑料、纖維等工業(yè)部門,以及其他學科如生物學、土壤學、醫(yī)學、氣象、地質(zhì)等中都廣泛接觸到膠體分散體系有關(guān)的問題。膠體的一系列特殊性質(zhì)與膠粒表面的帶電性有關(guān),ζ電勢是表征膠粒電學性質(zhì)的重要參數(shù),是進行有關(guān)膠體方面研究的重要依據(jù)。ζ電勢在膠體化學研究、大分子或膠粒間相互作用研究以及在膠體分散體系的分離與提純等領域的應用。1用于研究分散體的穩(wěn)定性1.1靜電作用的穩(wěn)定性膠體體系是高度分散的體系,具有很大的表面能,因此膠體粒子間具有自動聚結(jié)的趨勢。而若膠粒表面帶了一定電荷后,粒子間的靜電斥力可使體系保持穩(wěn)定。通常ζ電勢越高,膠粒表面帶電量越大,體系越穩(wěn)定。對于一般的分散體系,ζ電勢高于30mv時體系可因靜電作用保持較高程度的穩(wěn)定性;而ζ在30mv以下又很穩(wěn)定的體系,可能會有空間位阻穩(wěn)定的因素。因此ζ電勢對于分析膠體體系穩(wěn)定性的因素方面可提供有價值的信息。1.2電勢及穩(wěn)定性膠體體系的穩(wěn)定性與膠粒表面層分子的電荷、構(gòu)象、排列方式密切相關(guān),當條件(表面分子的種類、逍度、pH、溫度、鹽及各種添加劑的加入)發(fā)生變化時,表面層會發(fā)生改變,這些將直接影響到體系的穩(wěn)定性。通過測得膠粒表面ζ電勢的變化,可得到表面層分子吸附行為、構(gòu)象、排列方式變化的信息,進而可以推知對體系穩(wěn)定性的影響。C.C.Ho曾研究了pH、離子的種類和濃度對壬基酚聚氧乙烯醚穩(wěn)定的棕櫚油的O/W乳液滴ζ電勢的影響,尋找了不同種類離子在乳液滴表面的吸附規(guī)律。而天然大分子(蛋白、多糖、聚合物等)穩(wěn)定的乳液體系越來越受到人們的關(guān)注。這類體系因無毒、乳化劑易得且有一定營養(yǎng)價值而在食品、藥物、化妝品等領域具有廣泛的應用。這些大分子在油/水界面的吸附構(gòu)象與在水溶液中有所不同,而外界因素對其構(gòu)象、排列方式的影響將直接影響到乳液體系的穩(wěn)定性,因此關(guān)于這類體系的穩(wěn)定機制及影響規(guī)律成為人們研究的一個熱點,ζ電勢可為上述各特征的研究提供有價值的信息。EmilChibowski小組研究了乙醇/蛋白穩(wěn)定的n—十四烷O/W乳液的ζ電勢、粒度大小及分布隨pH、時間變化的規(guī)律,認為這類體系的穩(wěn)定機理為靜電和空阻共同作用的結(jié)果。D.J.McClements小組則研究了pH、鈣鹽對乳清蛋白穩(wěn)定的豆油乳液的影響,使這類體系在食品領域有了更好的應用。D.E.Dunstan小組通過研究pH、鹽對ζ電勢的影響,探討了阿拉伯樹膠穩(wěn)定O/W乳液的機制。M.Anton小組比較了pH、粒子強度對乳液ζ電勢及穩(wěn)定性的影響,研究了卵黃穩(wěn)定乳液的機制。MichaelV.Pishko等用ζ電勢和X—射線光子光譜法結(jié)合研究了包裹納米藥物的聚電解質(zhì)納米殼的結(jié)構(gòu)和特性。2用于研究分子和顆粒之間的相互作用2.1分子間相互作用許多大分子(蛋白、多糖、聚合物)在溶液中帶有表面電荷,大分子之間或大分子與表面活性劑之間存在靜電、疏水作用,這些作用將使分子的電荷、構(gòu)象發(fā)生改變,進而反映到分子ζ電勢的變化上,通過探知這種變化可知分子間相互作用的信息。有代表性的是Eric.Dickinson小組通過測定蛋白質(zhì)分子ζ電勢的變化研究了蛋白—蛋白、蛋白—表面活性劑之間的相互作用。2.2膠粒間的電勢和相互作用力ζ電勢用于膠粒相互作用的研究主要體現(xiàn)在對于膠體力和膠粒相互作用能的研究上?！澳z體力”(colloidforces)是指距離為1-100nm之間的兩物體之間的相互作用力。Israelachvili在他的綜述中闡明了這種力的起源和測定方法。對于膠體分散體系來說,測知膠粒間的“膠體力”對于研究體系的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。經(jīng)典的DLVO理論由于忽略了膠粒本身的結(jié)構(gòu)特征和及其所處的化學和微觀的環(huán)境,只適于研究理想狀態(tài)膠體體系中的相互作用。DarrellVelegol小組用“區(qū)分電泳法”研究了懸浮于水溶液中的兩個布朗顆粒間的膠體力。此方法基于下面的原理:電場中,具有不同ζ電勢的膠粒以不同速度遷移,趨向于使之彼此分開,而膠體力卻趨向于使它們靠在一起,從而干擾了它們在電場中的遷移。電場分離的作用力與電場強度和兩膠粒之間ζ電勢的差值成正比,通過測得膠粒遷移速度的差值,就可求得膠粒間的膠體力。GretchenL.Holtzer等通過引入第三個不同的膠粒A,通過測不同膠粒在電場中相對運動的情況,測得了兩個相同ζ電勢膠粒間的膠體力(圖1)。而JasonD.Feick用旋轉(zhuǎn)電泳法證實了Brownian膠粒所帶電荷的不均一性,并指出這是影響顆粒間膠體力進而影響膠體體系穩(wěn)定性的重要因素。膠粒間的相互作用力包括范德華力、靜電作用、水合作用和空間阻力。對帶電體系來說,靜作用對于體系的穩(wěn)定性有很重要的影響。根據(jù)DLVO理論,兩微球間的靜電作用可由Hogg方程求得:△GRT121=DαΨ2021n[1+exp(?κH0)](4)△G121RΤ=DαΨ0221n[1+exp(-κΗ0)](4)D:介質(zhì)介電常數(shù)A:膠粒半徑Ψ0:熱力學電勢1/κ:雙電層厚度H0:膠粒間平衡間距其中,膠粒的熱力學電勢是無法直接測得的,但通過測定ζ電勢,可以將其間接推算出來。對于ζ電勢小于25mv、半徑為R的小球,其表面的熱力學電勢為:Ψ0=ζ(1+x/R)ekx(5)Ψ0=ζ(1+x/R)ekx(5)x為帶電表面到滑動面間的距離。由此可求得熱力學電勢進而求出帶電膠粒間的相互作用能。3檢測物質(zhì)的分離和提純根據(jù)具有不同電荷和質(zhì)量的帶電膠粒在同一電場中泳動速度的不同,可以實現(xiàn)物質(zhì)間的分離和提純。一般的做法是將惰性的固體或凝膠作支持物,在其上面進行電泳,從而將電泳速度不同的各組分分離。其中毛細管電泳具有簡單、快速、高效等優(yōu)點,在生物、醫(yī)藥、食品等行業(yè)都具有廣泛的應用(圖2)。4膠粒帶的電勢分析ζ電勢是膠體分散體系的一個重要參數(shù),對于膠體