胶体分散体系稳定性的影响因素

胶体分散体系稳定性的影响因素

胶粒表面电势和电势的物理表征由于高分散过程和多相分散，胶体分散系统具有高度分散的特点，因此与其他分散系统不同。胶体分散体系在生物界和非生物界都普遍存在,在实际生产和生活中占有重要地位。如在石油、冶金、造纸、橡胶、塑料、纤维等工业部门,以及其他学科如生物学、土壤学、医学、气象、地质等中都广泛接触到胶体分散体系有关的问题。胶体的一系列特殊性质与胶粒表面的带电性有关,ζ电势是表征胶粒电学性质的重要参数,是进行有关胶体方面研究的重要依据。ζ电势在胶体化学研究、大分子或胶粒间相互作用研究以及在胶体分散体系的分离与提纯等领域的应用。1用于研究分散体的稳定性1.1静电作用的稳定性胶体体系是高度分散的体系,具有很大的表面能,因此胶体粒子间具有自动聚结的趋势。而若胶粒表面带了一定电荷后,粒子间的静电斥力可使体系保持稳定。通常ζ电势越高,胶粒表面带电量越大,体系越稳定。对于一般的分散体系,ζ电势高于30mv时体系可因静电作用保持较高程度的稳定性;而ζ在30mv以下又很稳定的体系,可能会有空间位阻稳定的因素。因此ζ电势对于分析胶体体系稳定性的因素方面可提供有价值的信息。1.2电势及稳定性胶体体系的稳定性与胶粒表面层分子的电荷、构象、排列方式密切相关,当条件(表面分子的种类、逍度、pH、温度、盐及各种添加剂的加入)发生变化时,表面层会发生改变,这些将直接影响到体系的稳定性。通过测得胶粒表面ζ电势的变化,可得到表面层分子吸附行为、构象、排列方式变化的信息,进而可以推知对体系稳定性的影响。C.C.Ho曾研究了pH、离子的种类和浓度对壬基酚聚氧乙烯醚稳定的棕榈油的O/W乳液滴ζ电势的影响,寻找了不同种类离子在乳液滴表面的吸附规律。而天然大分子(蛋白、多糖、聚合物等)稳定的乳液体系越来越受到人们的关注。这类体系因无毒、乳化剂易得且有一定营养价值而在食品、药物、化妆品等领域具有广泛的应用。这些大分子在油/水界面的吸附构象与在水溶液中有所不同,而外界因素对其构象、排列方式的影响将直接影响到乳液体系的稳定性,因此关于这类体系的稳定机制及影响规律成为人们研究的一个热点,ζ电势可为上述各特征的研究提供有价值的信息。EmilChibowski小组研究了乙醇/蛋白稳定的n—十四烷O/W乳液的ζ电势、粒度大小及分布随pH、时间变化的规律,认为这类体系的稳定机理为静电和空阻共同作用的结果。D.J.McClements小组则研究了pH、钙盐对乳清蛋白稳定的豆油乳液的影响,使这类体系在食品领域有了更好的应用。D.E.Dunstan小组通过研究pH、盐对ζ电势的影响,探讨了阿拉伯树胶稳定O/W乳液的机制。M.Anton小组比较了pH、粒子强度对乳液ζ电势及稳定性的影响,研究了卵黄稳定乳液的机制。MichaelV.Pishko等用ζ电势和X—射线光子光谱法结合研究了包裹纳米药物的聚电解质纳米壳的结构和特性。2用于研究分子和颗粒之间的相互作用2.1分子间相互作用许多大分子(蛋白、多糖、聚合物)在溶液中带有表面电荷,大分子之间或大分子与表面活性剂之间存在静电、疏水作用,这些作用将使分子的电荷、构象发生改变,进而反映到分子ζ电势的变化上,通过探知这种变化可知分子间相互作用的信息。有代表性的是Eric.Dickinson小组通过测定蛋白质分子ζ电势的变化研究了蛋白—蛋白、蛋白—表面活性剂之间的相互作用。2.2胶粒间的电势和相互作用力ζ电势用于胶粒相互作用的研究主要体现在对于胶体力和胶粒相互作用能的研究上。“胶体力”(colloidforces)是指距离为1-100nm之间的两物体之间的相互作用力。Israelachvili在他的综述中阐明了这种力的起源和测定方法。对于胶体分散体系来说,测知胶粒间的“胶体力”对于研究体系的稳定性具有十分重要的意义。经典的DLVO理论由于忽略了胶粒本身的结构特征和及其所处的化学和微观的环境,只适于研究理想状态胶体体系中的相互作用。DarrellVelegol小组用“区分电泳法”研究了悬浮于水溶液中的两个布朗颗粒间的胶体力。此方法基于下面的原理:电场中,具有不同ζ电势的胶粒以不同速度迁移,趋向于使之彼此分开,而胶体力却趋向于使它们靠在一起,从而干扰了它们在电场中的迁移。电场分离的作用力与电场强度和两胶粒之间ζ电势的差值成正比,通过测得胶粒迁移速度的差值,就可求得胶粒间的胶体力。GretchenL.Holtzer等通过引入第三个不同的胶粒A,通过测不同胶粒在电场中相对运动的情况,测得了两个相同ζ电势胶粒间的胶体力(图1)。而JasonD.Feick用旋转电泳法证实了Brownian胶粒所带电荷的不均一性,并指出这是影响颗粒间胶体力进而影响胶体体系稳定性的重要因素。胶粒间的相互作用力包括范德华力、静电作用、水合作用和空间阻力。对带电体系来说,静作用对于体系的稳定性有很重要的影响。根据DLVO理论,两微球间的静电作用可由Hogg方程求得:△GRT121=DαΨ2021n[1+exp(−κH0)](4)△G121RΤ=DαΨ0221n[1+exp(-κΗ0)](4)D:介质介电常数A:胶粒半径Ψ0:热力学电势1/κ:双电层厚度H0:胶粒间平衡间距其中,胶粒的热力学电势是无法直接测得的,但通过测定ζ电势,可以将其间接推算出来。对于ζ电势小于25mv、半径为R的小球,其表面的热力学电势为:Ψ0=ζ(1+x/R)ekx(5)Ψ0=ζ(1+x/R)ekx(5)x为带电表面到滑动面间的距离。由此可求得热力学电势进而求出带电胶粒间的相互作用能。3检测物质的分离和提纯根据具有不同电荷和质量的带电胶粒在同一电场中泳动速度的不同,可以实现物质间的分离和提纯。一般的做法是将惰性的固体或凝胶作支持物,在其上面进行电泳,从而将电泳速度不同的各组分分离。其中毛细管电泳具有简单、快速、高效等优点,在生物、医药、食品等行业都具有广泛的应用(图2)。4胶粒带的电势分析ζ电势是胶体分散体系的一个重要参数,对于胶体