表面活性剂及其增溶应用

表面活性剂及其增溶应用

一、表面活性剂的定义和分类

　　1．表面活性和表面活性剂

　　一定条件下的任何纯液体都具有一定的表面张力，20℃时水的表面张力为72.75mN·m-1，苯的表面张力为28.88 mN·m-1。当液体中溶解有某种物质时，溶液的表面张力因溶质的加入而发生变化，一些无机盐和糖类物质可使液体的表面张力略有升高；而一些有机酸、醇、醛则可使液体的表面张力略有下降；当在溶液中加入肥皂、洗衣粉等时，可使液体的表面张力产生显著的下降。凡能使液体表面张力下降的物质都是表面活性物质。使液体表面张力降低的性质则称为表面活性。但只有那些能使表面张力明显下降的物质被称为表面活性剂。表面活性剂除能降低表面张力外，还具有增溶、乳化、润湿、去污、杀菌、消泡和起泡等应用性质，这是与一般表面活性物质的重要区别。

　　表面活性剂也有其鲜明的化学结构特征，它们是由非极性碳氢基团和一个以上的极性基团组成的分子，碳氢基团可以是脂肪烃碳链(直链或支链)，芳烃碳链(包括带有侧链的芳烃基团)或环烷烃等，烃链长度一般在8个碳原子以上。极性基团则可以是解离的离子，也可以是不解离的亲水基团，一般有以下几类：①羧酸及其可溶性盐；②磺酸及其可溶性盐；③硫酸酯及其可溶性盐；④磷酸基及磷酸酯基；⑤氨基或胺及其盐酸盐；⑥羟基；⑦巯基；⑧酰胺基；⑨醚键；⑩羧酸酯基。在这些亲水基团中，①～⑤类有很强的亲水性，⑥～⑧类亲水性较强，而最后两类亲水性则较弱。

　　2．表面活性剂的分类

　　根据溶解性质，表面活性剂可分为油溶性和水溶性两大类。但更普遍的分类是根据极性基团的离解性质，将表面活性剂分为离子表面活性剂和非离子表面活性剂两大类。根据离子表面活性剂所带电荷，又可分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。每类中又可根据亲水或亲油基团分为不同的种类，常用的表面活性剂分类如表2—13：

表2—13表面活性剂的分类

R为烃基；M为金属离子或铵离子。

　　一些水溶性高分子也表现出较强的表面活性，同时具备有一定的起泡、乳化、增溶等应用性能，这些高分子统称为高分子表面活性剂，如海藻酸钠、果胶酸钠、羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、聚乙烯醇、聚维酮、聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物等。与低分子表面活性剂相比，高分子表面活性剂降低表面张力的能力较小，增溶力、渗透力弱，但乳化力强，常用作保护胶体。

　　二、表面活性剂的表面活性

　　1．表面活性剂在溶液中的正吸附

　　表面活性剂溶解在水中时，由于表面活性剂分子的极性基团和非极性基团的两亲性，在水-空气界面产生定向(orientation)排列，亲水基团向水而亲油基团朝向空气。在浓度较稀时，表面活性剂几乎都集中在表面上形成单分子层，表面层的浓度与本体溶液中的浓度明显不同，并将溶液的表面张力降低到纯水的表面张力以下。这种现象称为正吸附。表面活性剂降低表面张力的能力，即表面活性可以用吉布斯(Gibbs)吸附等温式定量描述：

　　式中，Γ为溶质的表面过剩浓度或称吸附量(mol/cm2)；C为本体溶液浓度(mol/cm3)；σ为溶液的表面张力(N/cm)；R为气体常数；T为绝对温度(K)。该式适合于非离子表面活性剂的吸附行为，对于离子表面活性剂，因为解离的两种离子对表面张力均有影响，故上式可写为：

　　式中ｎ与离子表面活性剂的类型有关，大多数常用离子表面活性剂为1-l型电解质，故n=2。

    根据表面活性剂的吸附量可以计算出每个表面活性剂分子在表面上所占居面积A的大小，并估计表面活性剂在溶液表面上的排列状态和紧密程度：

　　N为阿佛加德罗常数。

　　表面活性剂在溶液表面产生的正吸附，改变了溶液表面的性质，溶液最外层呈现出碳氢链性质，表现出较低的表面张力，相应的润湿性、乳化性、起泡性等均表现出更好的状态，因此，表面活性剂的表面活性大小，对于其实际应用有着重要的意义。

　　2．影响表面活性剂降低表面张力的因素

　　表面活性剂的表面活性可用降低溶液表面张力到达的最低值以及降低表面张力至某一定值所需的最低浓度来评价。前者称为表面活性剂的效能(effectiveness)，是与浓度无关的度量；后者称为表面活性剂的效率(efficiency)，一般用表面张力降低2×10-4N/cm(20mN/m)时本体溶液中表面活性剂的摩尔浓度C的倒数的对数表示：

    表面活性剂效率＝lg（1／C）（л＝20mN／m)　　　　　　　　(2—65)

　　显然，表面活性剂降低表面张力的效率越高，则所需表面活性剂的浓度越低。在同系列表面活性剂中，随着表面活性剂碳氢链的增长，降低表面张力的效率往往升高；直链烷烃比相同碳原子数的支链烷烃有更高的效率。但表面活性剂的效能与效率往往有相反的趋势，即效率增加，效能一般总是降低。

　　3．表面活性剂在固体表面的吸附

　　固体表面与表面活性剂溶液接触时，表面活性剂分子很容易在固体表面发生吸附，由于这种吸附，固体的表面状态和性质可以发生很大的变化，在药剂制备中有很大的应用价值。例如，固体疏水性药物粉末表面吸附亲水性表面活性剂有利于药物的润湿和溶解。

　　固体粒子的极性不同，其对表面活性剂的吸附也表现出不同的特点。极性固体物质对离子表面活性剂的吸附在低浓度下其吸附曲线为Ｓ形，形成单分子层吸附，表面活性剂分子的疏水链伸向空气。而在表面活性剂的浓度达临界胶束浓度时，吸附达到饱和，此时的吸附为二层吸附，且表面活性剂分子的吸附方向与第一层相反，亲水基团指向空气。提高溶液温度，吸附量将随之减小。

　　对于非极性固体。一般只发生单分子层吸附，疏水基团吸附在固体表面而亲水基团指向空气，当表面活性剂浓度增加时，吸附量并不随之增加甚至有减少的趋势。

　　固体表面对非离子表面活性剂的吸附与对离子表面活性剂的吸附相似，但其吸附量随温度升高而增大，可从单分子层吸附向多分子层吸附转变。

　　三、表面活性剂胶束形成

　　1．临界胶束浓度

　　当表面活性剂在溶液表面的吸附达到饱和时，如果继续增加表面活性剂的浓度，不能在表面定向排列的表面活性剂分子则转入体相溶液，因为其亲油基团的存在，水分子对表面活性剂分子的排斥力远大于相互间的吸引力，这些过剩的表面活性剂分子依赖范德华力聚集在一起，形成亲油基团向内，亲水基团向外、在水中能稳定分布的胶束。不同的表面活性剂，每个胶束中分子缔合数各不相同，离子表面活性剂的缔合数约在10～100，少数大于1000，如C10H21NH3+·Br- 在25℃和0.5mol/L NaBr溶液中缔合数为1100。非离子表面活性剂的缔合数一般较大，例如月桂醇聚氧乙烯醚在25℃的缔合数为5000。表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度即称为临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC)，不同表面活性剂有各自的临界胶束浓度特征值。对于同系列表面活性剂，在亲水基团相同时，亲油基团越大，临界胶束浓度越小。在临界胶束浓度时，溶液的表面张力也基本上达到最低值，所以临界胶束浓度的大小也是表面活性剂效能的一个量度。

　　2．胶束的结构

　　在一定浓度范围内，胶束在溶液中呈球形结构(图2—14a)，并有恒定的分子缔合数，其碳氢链构成内核，且自由缠绕保持类似于液体的状态。具非极性性质和非液晶态结构。受表面活性剂的亲水基的束缚，与亲水基相连的少量次甲基定向整齐排列形成栅状层(又称帕利塞德层。Parisidelayer)，亲水基分布在球状胶束表面并发生一定程度的水合作用。在水合作用的影响下，水分子可深入栅状层内。对于离子表面活性剂，其反离子则吸附在胶束表面。当溶液中表面活性剂浓度增加时，由于胶束大小或缔合数增加不再能保持球形结构而变成棒状胶束(图2—14b)，这种棒状结构具有一定的柔顺性，当表面活性剂浓度再增加时，则从棒状结构转变成六角束状结构(图2—14c)，浓度更大时，成为板状或层状结构(图2—14d、e)。从球形结构到层状结构，表面活性剂的碳氢链从紊乱分布转变成规整排列，完成了从液态向液晶态的转变。六角束状结构和层状结构均已表明出明显的光学各向异性性质，在层状结构中，表面活性剂分子的排列接近于双分子层结构。在高浓度的表面活性剂水溶液中，如有少量非极性溶剂存在，则可能形成反向胶束，即亲水基团向内，亲油基团朝向非极性液体。

　　3．临界胶束浓度的测定

　　当表面活性剂溶液达到临界胶束浓度时，除溶液的表面张力外，溶液的多种物理化学性质，如摩尔电导、粘度、渗透压、密度、光散射等也发生急剧变化。利用这些性质与表面活性剂度之间的关系，可以推测出表面活性剂的临界胶束浓度。但采用不同的测定方法得到的临界胶束浓度在数值上可能会有所差别。而且其数值也受温度、浓度、电解质、pH等因素的影响而发生变化。表2—14列出了一些常用表面活性剂的临界胶束浓度。

表2-14一些常用表面活性剂的临界胶束浓度

　　测定表面活性剂的临界胶束浓度有以下几种方法。

　　(1)表面张力法　表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定，无机离子的存在也不影响测定结果。在表面活性剂浓度较低时，随着浓度的增加，溶液的表面张力急剧下降，当到达临界胶束浓度时，表面张力的下降则很缓慢或停止。以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图，曲线转折点相对应的浓度即为CMC。如果在表面活性剂中或溶液中含有少量长链醇、高级胺、脂肪酸等高表面活性的极性有机物时，溶液的表面张力-浓度对数曲线上的转折可能变得不明显，但出现一个最低值(图2—15)。这也是用以鉴别表面活性剂纯度的方法之一。

     (2)电导法  本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定，以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图，曲线的转折点即CMC。溶液中若含有无机离子时，方法的灵敏度大大下降。

　　(3)光散射法　光线通过表面活性剂溶液时，如果溶液中有胶束粒子存在，则一部分光线将被胶束粒子所散射，因此测定散射光强度即浊度可反映溶液中表面活性剂胶束形成。以溶液浊度对表面活性剂浓度作图，在到达CMC时，浊度将急剧上升，因此曲线转折点即为CMC。利用光散射法还可测定胶束大小(水合直径)，推测其缔合数等。但测定时应注意环境的洁净，避免灰尘的污染。

　　(4)染料法　一些有机染料在被胶团增溶时。其吸收光谱与未增溶时发生明显改变，例如频那氰醇溶液为紫红色，被表面活性剂增溶后成为蓝色。所以只要在大于CMC的表面活性剂溶液中加入少量染料，然后定量加水稀释至颜色改变即可判定CMC值。采用滴定终点观察法或分光光度法均可完成测定。对于阴离子表面活性剂，常用的染料有频那氰醇、碱性蕊香红G；阳离子表面活性剂可用曙红或荧光黄；非离子表面活性剂可用频那氰醇、四碘荧光素、碘、苯并紫红4B等。采用染料法测定CMC可因染料的加入影响测定的精确性，尤其对CMC较小的表面活性剂的影响更大，另外，当表面活性剂中含有无机盐及醇时，测定结果也不甚准确。

　　目前还有许多现代仪器方法测定CMC，如荧光光度法、核磁共振法、导数光谱法等。

　　4．胶束形成理论模型

　　胶束形成的机理尚未充分明了，目前主要有质量作用模型和相分离模型从理论上对其进行定量阐述。

　　(1)质量作用模型　质量作用模型是根据质量作用定律，假设胶束形成是分子或离子发生缔合和解离的过程，因此在胶束的解离和缔合间可建立平衡，对于离子表面活性剂和非离子表面活性剂分别有：

　　式中，M为胶束，X、X+、X-为表面活性剂分子或离子，A-和C+分别为表面活性剂反离子。按质量作用定律计算其平衡常数有：

  Ｋ＋＝[Ｍｍ一ｎ]／[Ｘ＋]ｍ[Ａ一]ｎ　　　　　　　　　　　(2—69)

   Ｋ一＝[Ｍｍ一ｎ]／[Ｘ一]ｍ[Ｃ＋]ｎ　　　　　　　　　　　(2—70)

    Ｋ＝[Ｍ]／[Ｘ]ｍ　　　　　　　　　　　(2—71)

　　对于非离子表面活性剂，标准自由能变化为：

　　假设缔合数m较大，等式第2项略去，因为[X]=CMC，所以得：

    △Ｇｏ＝ＲＴｌｎＣＭＣ　　　　　　　　　　　　　(2—73)

　　对于阳离子表面活性剂。同样有：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1

　　因为[X+]≈[A-]=CMC，n≈m，在略去 －ln[Mm-n]时，有：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍ

   △Ｇｏ＝ＲＴ(１＋ｎ／ｍ)ｌｎＣＭＣ＝２ＲＴｌｎＣＭＣ　　　　　　(2—75)

　　阴离子表面活性剂可同样推导得式(2—75)。

　　(2)相分离模型  相分离模型把胶束形成看成是一种相分离过程，即把胶束的形成看作是一个新相的产生，虽然这一新相不是真实的宏观相，在溶液中也不是所有表面活性剂分子全部发生缔合，仍有少数单个分子存在，但事实上，可利用超滤技术或渗析技术将胶束从溶液中分离出来，也可以测定某些物质在两相中的分配系数。因此，将胶束近似地看作一个新相仍有其合理性。依据胶束新相形成的假设，采用类似于质量作用定律计算标准自由能的方法，可得到各种相平衡热力学参数如表2—15。

　　表中，C＋为表面活性剂阳离子，A-为反离子，M为胶束，N为表面活性剂单个分子，n为缔合数。

　　四、表面活性剂的增溶作用

　　1．胶束增溶

　　表面活性剂在水溶液中达到临界胶束浓度后，一些水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加并形成透明胶体溶液，这种作用即增溶(solubilization)。起增溶作用的表面活性剂称为增溶剂，被增溶的物质称为增溶质。胶束增溶体系是热力学稳定体系，增溶质的化学势较增溶前显著降低。例如，苯被增溶时，其蒸气压显著低于纯苯。胶束增溶体系也是一热力学可逆平衡体系，增溶质溶液可从过饱和溶液稀释得到，也可以从增溶质的逐渐溶解得到。在临界胶束浓度以上，随着表面活性剂用量的增加，体系中的胶束数量增加，增溶量也相应增加。当表面活性剂用量固定和增溶达平衡时，增溶质的饱和浓度称为最大增溶浓度(maximum additive concentration，MAC)，继续加入增溶质，增溶体系将向热力学不稳定体系转变。若增溶质为液体，体系将转变成乳浊液；若增溶质为固体，则溶液中将有沉淀析出。

　　2．增溶模型

　　增溶作用是增溶质进入与水不同的胶束环境的过程，根据增溶质的性质及表面活性剂类型的不同，通常进入胶束的位置和状态有4种方式(图2一16)。

　　(1)在胶束烃核的增溶　非极性分子如饱和脂肪烃、环烷烃及其它不易极化的增溶质进入胶束烃核(图2—16a)，其增溶量随表面活性剂用量增加而增大。

　　(2)在胶束栅状层的增溶　一些长链极性分子如长链醇、胺、脂肪酸等增溶质的非极性链插入胶束栅状层，极性基团处于胶束极性基团之间，通过氢键或偶极相互作用结合(图2—16b)。分子排列方向与表面活性剂分子的排列方向相同，类似于形成混合胶束。

　　(3)在胶束表面的增溶  一些水溶性和极性较强的增溶质吸附在胶束的亲水基团或靠近胶束栅状层的表面区域(图2—16c)，这类物质的增溶量较小。

　　(4)在聚氧乙烯链间的增溶　具有聚氧乙烯链的非离子表面活性剂胶束的增溶系将增溶质包裹在聚氧乙烯亲水链中(图2—16d)，如一些具有较强电负性原子的芳香羧酸及酚类化合物，可与聚氧乙烯基形成氢键，这类增溶有较大的增溶量。

　　上述增溶模型称为单态模型，即认为增溶质在胶束中的位置和状态固定不变，而实际上，增溶质在胶束中与水相中始终存在动态分配平衡过程，真实增溶量或胶束-水分配系数可通过超滤技术、分子筛技术或凝胶色谱技术等测定。

　　3．增溶位置的实验确定

　　根据单态模型，增溶质增溶在胶束的不同位置，这些位置的极性不同，增溶质的紫外吸收光谱随之发生变化，比较表面活性剂增溶溶液与增溶质在系列不同极性有机溶剂中的紫外吸收光谱，即可确定增溶质在胶束内的位置。如果增溶质在胶束内的紫外吸收光谱与在极性溶剂中的光谱相似，则表明增溶在极性较大的部位；如果与在非极性溶剂中的光谱相似，则表明增溶在胶束的烃核部位。图2－17是乙苯在水、月桂酸钾溶液和辛烷中的紫外吸收光谱，可以看出，在月桂酸钾溶液中的紫外光谱与在水中有很大的差异而与在辛烷中的光谱极其相似，可见乙苯系被增溶在胶束的烃核中。

　　有些增溶质在胶束溶液中的增溶与表面活性剂的浓度有关，其紫外吸收光谱可因增溶量的改变发生变化。如苯在聚乙二醇1000单醋醚溶液中的紫外最大吸收波长随表面活性剂浓度的增加而变化，在0.1％表面活性剂溶液中，最大吸收波长在254nm处，与在水中相似，当在8％表面活性剂溶液中时，则最大吸收波长在255nm处，与在正己烷中相似。

　　增溶位置的测定还有许多其它物理方法。如X-射线衍射法、核磁共振法、荧光去极化法、电子自旋共振法等。

　　4．表面活性剂对增溶的影响

　　(1)碳氢链链长　在同系的表面活性剂中，碳氢链越长，则临界胶束浓度越小，在较低的表面活性剂浓度下发生增溶作用，增溶能力随碳氢链增长而增加。对于同系的离子表面活性剂，大约碳氢链每增加1个碳原子，临界胶束浓度即下降1／2；对于同系的非离子表面活性剂，则由于其亲水基团极性相对较弱，碳原子数量增加的影响更加明显，每增加2个碳原子，临界胶束浓度可以下降到原来的1／10。例如聚氧乙烯(6)辛醇醚、聚氧乙烯(6)癸醇醚和聚氧乙烯(6)十二醇醚的临界胶束浓度分别为9.9×10-3，9.0×10-4和8.7×10-5。通过对各同系物的临界胶束浓度的比较可得如下线性方程：

   ｌｇＣＭＣ＝Ａ－Ｂｍ　　　　　　　　　　　　　(2—76)

　　式中，A和B均为与表面活性剂极性有关的常数，对于1—1型离子表面活性剂，B≈0．3；对于非离子表面活性剂，B≈0.5；m是碳氢链碳原子个数。

　　(2)碳氢链支链结构　由于支链的空间位阻较大，妨碍表面活性剂的缔合，在同系表面活性剂中，含有相同碳原子个数的表面活性剂，有支链者的临界胶束浓度高于直链的表面活性剂。而且，表面活性剂的亲水基团越接近于碳氢链的中间位置，则其临界胶束浓度越大。一些离子表面活性剂的临界胶束浓度如下表：

表2—16　临界胶束浓度与碳氢链结构的关系

　　在碳氢结构中苯环、双键等一些易极化结构的存在将减小碳氢链的疏水性，故此类表面活性剂的临界胶束浓度往往要比不含此类结构者高。如油酸钾的临界胶束浓度为1.2×10-3mol/L，而月桂酸钾则为4.5×10-4 mol/L。同样，辛基苯磺酸钠的临界胶束浓度(1.5×10-2mol/L)也高于十二烷基磺酸钠(4.5×10-3mol/L)。经验表明，1个苯环产生的影响约相当于3.5个直链碳原子。

　　(3)亲水基团　亲水基团对增溶的影响远不如疏水基团，一般而言，亲水性强者，临界胶束浓度较高，比较离子表面活性剂和非离子表面活性剂的增溶能力即可看出这一规律性。在碳原子的数量相同时，前者的临界胶束浓度是后者的100倍。阳离子表面活性剂的增溶能力大于具有相同碳氢链的阴离子表面活性剂，这是因为前者形成较疏松结构的胶束。对于相同碳氢链的离子表面活性剂，二价离子型(如S04-2)的临界胶束浓度大于一价离子型(如Cl-)。在聚氧乙烯型非离子表面活性剂中，聚氧乙烯链长对增溶的影响可能比碳氢链更大。对于具有相同碳氢链的非离子表面活性剂，聚氧乙烯链越长，增溶能力越弱。

(4)反离子　对于离子表面活性剂，反离子对增溶的影响取决于这些离子与表面活性剂离子的结合能力，结合能力越强或解离度越低，则增溶能力越强，例如I一＞Br一＞Cl—

    |

＞一N＋一。若反离子本身就是表面活性离子或是包含有较大非极性基团的有机离子，则

    |

临界胶束浓度可能显著下降，尤其在正负离子的碳氢链长相等时，降低最为显著，如C12H25N(CH3)3Br的临界胶束浓度为0.016mol/L，C12H25N(CH3)3·C12H25SO4的临界胶束浓度仅为0.00004mol/L。原因是反离子参与胶束形成，正负表面活性离子之间的库仑引力使胶束更易形成，在正负离子的碳氢链长比例近于l：1时，胶束的有效电荷近于零，相互排斥作用极小。

　　5．增溶质对增溶的影响

　　(1)增溶质的分子结构　脂肪烃和烷基芳烃的增溶量随链长增加而减小，在分子结构中若含有不饱和键，则增溶量较相应的饱和烃大，支链的存在对增溶量影响不大，环烷烃的增溶量高于直链烷烃，但多环化合物的增溶量反而减小，这是因为增溶质的分子体积增加，不易进入胶束。另外，胶束内层由于受胶束弯曲界面产生的压力的影响，越大的增溶质分子进入胶束越困难。表2-17表明了这些结构因素对增溶量的影响。

表2-17　增溶质的结构因素对增溶量的影响

　　(2)增溶质的极性　对于极性增溶质而言，其极性的大小决定了它们在胶束中的位置，当增溶质极性很小即碳氢链较长时，增溶位置主要在胶束烃核内，由于位阻的关系，深入胶束内部较困难，增溶量较小。极性较大而分子量及体积近似的增溶质，其增溶主要位于栅状层，故增溶量相对较大。例如，正庚烷的1个氢原子被1个羟基取代后(即正庚醇)增溶量增加1倍。

　　6．温度对增溶的影响

　　温度对增溶存在三方面的影响：①影响胶束的形成性质；②影响增溶质的溶解性质；③影响表面活性剂的溶解度。对于离子表面活性剂，第1种影响不很明显，主要是扩大增溶质在胶束中的溶解度以及增加表面活性剂的溶解度。图2-18为十二烷基硫酸钠在水中的溶解度随温度变化曲线。可以看出，随温度升度，离子表面活性剂的溶解度在某一温度急剧升高，转折点相对应的温度称为Krafft点，而此点对应的溶解度即为该离子表面活性剂的临界胶束浓度(图中虚线)。当溶液中表面活性剂的浓度未超过溶解度时(区域Ⅰ)，溶液为真溶液；当继续加入表面活性剂时，则有过量表面活性剂析出(区域Ⅱ)；而此时升高温度。体系又成为澄明溶液(区域Ⅲ)，但与Ⅰ相不同，Ⅲ相是表面活性剂的胶束溶液。所以Krafft点实际上是表面活性剂真溶液相、胶束相和固相共存的温度。

　　对于每一种离子表面活性剂，Krafft点是一特征值，Krafft点越高，临界胶束浓度越小。在Krafft点以上，随温度进一步升高，分子热运动加剧，形成的胶束可能发生离散而使临界胶束浓度升高。可以说，Kraftt点是表面活性剂使用温度的下限，或者说，只有在温度高于Krafft点时表面活性剂才能最大限度地发挥效能。例如十二烷基硫酸钠的Krafft点为8℃左右，而十二烷基磺酸钠的Krafft点约为70℃，很显然，后者在室温的表面活性不够理想。

　　与离子表面活性剂相反，对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂，随温度升高，导致聚氧乙烯链与水之间的氢键断裂，水合能力下降，临界胶束浓度降低，胶束数量增加，对增溶质的增溶量增大。但当温度上升到一定程度时，聚氧乙烯链脱水发生强烈收缩，使增溶空间减小，增溶能力下降，溶解度急剧下降。表面活性剂从溶液中析出及溶液出现混浊的温度即为浊点或昙点(cloud point)。浊点是聚氧乙烯型非离子表面活性剂的一个特征值，在聚氧乙烯链相同时，碳氢链越长，浊点越低；在碳氢链相同时，聚氧乙烯链越长则浊点越高。吐温20为90℃，吐温60为76℃，吐温80为93℃，大多数此类表面活性剂的浊点在70～100℃，但也有一些聚氧乙烯类非离子表面活性剂在常压下观察不到浊点，如波洛沙姆108、波洛沙姆188等。

　　五、表面活性剂的复配

　　表面活性剂相互间或与其它化合物的配合使用称为复配，在表面活性剂的增溶应用中，如果能够选择适宜的配伍，可以大大增加增溶能力，减少表面活性剂用量，使表面活性剂混合体系具有优于单一表面活性剂溶液更好的特性。例如，高纯度的十二烷基磺酸钠水溶液的增溶、乳化及起泡能力都低于其与十二醇的混合体系。另一方面，在制剂中，表面活性剂也常需与其它药用成分或辅料配伍，所以了解配合中可能发生的影响，对于表面活性剂的合理应用非常必要。

　　1．  中性无机盐

　　在离子表面活性剂溶液中加入无机盐，主要是反离子的影响，即压缩离子雾和扩散双电层厚度。反离子结合率越高，浓度越大，临界胶束浓度就越低，从而增加了胶束数量，增加烃核总体积，增加了对烃类增溶质的增溶量。相反，由于无机盐使胶束栅状层分子间的电斥力减小，分子排列更紧密，减少了极性增溶质的有效增溶空间。故对极性物质的增溶量降低。一般而言，钠盐的影响比钾盐更大，一价离子比二价离子有更大影响。在阳离子相同时，阴离子不同影响也不同，如在月桂酸钾溶液中，钾盐对橙OT增溶的影响顺序为氢氧化钾＞硫氰酸钾＞氯化钾。当溶液中存在大量Ca2+，Mg2+等多价反离子时，则可能减低阴离子型表面活性剂的溶解度，产生盐析现象，导致增溶量下降。

　　在非离子表面活性剂溶液中，无机盐的影响较小，但在高浓度时(＞0.1mol／L)也能显示出一定影响。大多数无机离子的加入均可破坏表面活性剂聚氧乙烯等亲水基团与水分子的结合，使浊点降低，临界胶束浓度下降，增溶量增加。但多价离子及H+、Ag+、Li+ 和I－、SCN－ 等则升高浊点，这是因为聚氧乙烯基上的氧可与这些电性较强的阳离子结合而使之带正电性，与水分子仍有牢固结合。

　　2．有机添加剂

　　(1)脂肪醇　脂肪醇对表面活性剂增溶的影响与其碳链长度及浓度有关。脂肪醇与表面活性剂分子形成的混合胶束体积增大，对碳氢化合物的增溶量增加。脂肪醇碳链越长，极性极小，增溶效果越大，但在使用时一般以碳原子数在12以下的长链为宜，因为更长链的醇受溶解度的限制进入胶束的量减少。与之相反。一些短链醇不仅不能与表面活性剂形成混合胶束，还可能破坏胶束的形成，在使用浓度较高时使临界胶束浓度升高，如C1～C6的醇和环己醇等均出现这类效果。少量非极性烷烃的加入有类似于长链脂肪醇的影响，但主要增加对极性化合物的增溶量。

　　(2)其它极性有机物　尿素、N-甲基乙酰胺、乙二醇等均升高表面活性剂的临界胶束浓度，一方面这些有机极性分子与水分子发生强烈竞争性结合，另一方面这些物质也是表面活性剂的助溶剂，增加了表面活性剂的溶解度，这些均使表面活性剂浊点升高并影响胶束形成，例如尿素可使十二醇聚氧乙烯(6)醚的临界胶束浓度升高10倍之多。一些多元醇如果糖、木糖、山梨醇可使非离子表面活性剂临界胶束浓度下降，它们的强亲水性及强极性使表面活性剂的疏水基团在水中的稳定性降低，从而易于形成胶束并使胶束体积增大。

　　3．水溶性高分子

　　明胶、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇及聚乙烯吡咯烷酮等水溶性高分子加入至表面活性剂溶液中，可对表面活性剂分子产生吸附作用，高分子浓度越大，吸附量越多，因而表面活性剂的临界胶束浓度也随之升高，但在含有高分子的溶液中，只要有胶束形成，其增溶效果却显著增强，这可能是由于高分子与表面活性剂分子的疏水链之间的相互结合使胶束烃核增大，对于离子表面活性剂，高分子除碳氢链间的相互作用外尚有一定的电性效应，象聚乙二醇因其结构中醚氧原子的存在，有未成键孤对电子与水中的H+结合而带有正电荷，易与阴离子表面活性剂结合。这种现象在一些聚电解质加入时更为明显，在大量电荷存在时，由于强烈的结合可形成不溶性的复合物，但随着表面活性剂用量的增加，不溶性复合物也可重新溶解。

　　大分子疏水性越强，电性差异越大则有越强的相互作用。一些中性水溶性大分子与阴离子表面活性剂的作用强弱次序为：聚乙烯醇＜聚乙二醇＜甲基纤维素＜聚乙烯吡咯烷酮；与阳离子表面活性剂作用强弱次序为：聚乙烯吡咯烷酮＜聚乙二醇＜聚乙烯醇＜甲基纤维素。

　　4．表面活性剂混合体系

　　(1)同系物混合体系　事实上，许多市售的表面活性剂都是同系物的混合物，象硬脂酸钠、棕榈酸钠或月桂酸钠等常是不同链长同系物的混合物。二个同系物混合物的表面活性介于各自表面活性之间而且趋于活性较高的组分(即碳氢链更长的同系物)，对于离子表面活性剂，两同系物等量混合时的临界胶束浓度可用以下关系式表示：

　　式中，C12为混合体系的临界胶束浓度；Cl和C2为两组分的临界胶束浓度；K0为与胶束反离子结合度有关的常数；X1和X2两组分的摩尔分数。从式中可以看出，混合体系的临界胶束浓度与各组分摩尔分数不呈直线关系，也不等于简单加和平均值，临界胶束浓度较小组分有更大的影响。

　　对于非离子表面活性剂，式中K0=0，故上式可简写为：

　　(2)非离子表面活性剂与离子表面活性剂混合体系　在该混合体系中两类表面活性剂形成混合胶束，原来带有同种电荷的离子表面活性剂分子间的排斥力减弱，非离子表面活性剂因诱导偶极作用产生的分子正负电荷中心对离子表面活性剂产生定向静电吸引，增加了分子间的相互作用，更易于形成胶束，临界胶束浓度介于两种表面活性剂临界胶束浓度之间或低于其中任一表面活性剂的临界胶束浓度。能够使临界胶束浓度低于任一表面活性剂临界胶束浓度的协同作用与两组分的种类及其配比有关。一般而言，对于阴离子-表面活性剂聚氧乙烯型非离子表面活性剂体系，当非离子表面活性剂中聚氧乙烯数增加时，可能有更强的协同作用，但电解质的加入可使协同作用减弱。对于具有相同疏水基的聚氧乙烯型非离子表面活性剂，与阴离子表面活性剂配伍的协同作用强于与阳离子配伍的协同作用。

　　(3)阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合体系　在水溶液中，带有相反电荷的离子表面活性剂的适当配伍可形成很高表面活性和增效作用的分子复合物，并具有两类表面活性剂的应用特点，如同时具有润湿、增溶、起泡、杀菌作用等。在等量混合时，两种相反电荷的强烈吸引导致最强的表面活性，而且此时加入无机盐对其表面活性不再产生影响。例如辛烷基硫酸钠(C8Hl7S03Na)与辛基三甲基溴化铵季铵盐(C8H17N+(CH3)3Br-)以1：1配伍时，临界胶束浓度为7.5×10-3mol／L，仅相当于两种表面活性剂临界胶束浓度的1／20～1／35。如果两种离子表面活性剂具有相等长度的碳氢链，增效作用最大，且碳链越长，增效作用也越强，表现出非离子表面活性剂的性质。如果两者的碳链长度不等，则混合体系的临界胶束浓度取决于两者碳原子数总和，碳原子数越多，临界胶束浓度也越小。但如果两种表面活性剂分子的碳氢链长度相差较大，一种表面活性剂的疏水链碳原子数低于6，则增效作用大大下降。

　　应予指出的是，并非阴、阳离子表面活性剂的随意混合使用都能增加表面活性，除有严格的比例外，混合方法也起重要作用，否则只能通过静电中和形成溶解度很小的离子化合物，从溶液中沉淀出来。

　　六、表面活性剂的增溶应用

　　1．增溶相图

　　表面活性剂增溶体系是水、表面活性剂和增溶质组成的三元体系，在一定的温度和压力下，为了配制澄明溶液以及在使用稀释时仍保持澄明，需选择适宜的配比。通过三元相图的制作，可以确定配比的范围并结合实际应用作出最佳选择。

　　制作三元相图一般的方法是，按不同比例称取表面活性剂和增溶质混合均匀，分别滴水直至在规定时间内保持混浊(因真正到达平衡需要较长时间)，记录消耗水量，继续滴加水并观察有无从混浊转为澄明、再由清变浊的现象，记录消耗水量。计算所有混浊点处三组分的重量(或容量)百分数，在三角座标图中定点连线即得到增溶相图。图2—19是薄荷油-吐温20-水的三元相图，在Ⅱ、Ⅳ两相区内的任一比例，均不能制得澄明溶液；在Ⅰ、Ⅲ两相区内任一比例均可制得澄明溶液，但只有在沿曲线的切线AW上方区域内的任意配比，如A点(代表7.5％薄荷油，42.5％吐温20和50％水)，在加水稀释时才不会出现混浊。

　　不同组分的增溶体系其增溶相图均不相同，在不同温度和压力条件下所得的相图也不会完全相同，表面活性剂的增溶能力可因三组分的加人次序不同出现差别，一般认为，将增溶质与表面活性剂先行混合要比表面活性剂先与溶剂混合的效果好。

　　另外，在增溶药物时，平衡温度及时间的选择也很重要，在某些情况下，达到这种平衡往往需要几天、几星期甚至数月。对于固体药物的增溶，这种平衡常需要较长的时间，而且在固体药物增溶时，过量固体药物的存在会吸附一部分表面活性剂。

　　如果在制剂生产或使用中并不需要进一步稀释，则可以直接在已知浓度的表面活性剂溶液中加入不同量增溶质至饱和(产生混浊或沉淀)，简单地采用二元相图选择适宜配比。

　　2．解离药物的增溶

　　前述增溶质结构与表面活性剂增溶的关系适合于各种不解离极性药物和非极性药物，而解离药物除与前述结构因素有关外，还有其特殊性。

　　(1)解离药物与带有相反电荷的表面活性剂体系　由于体系中存在两种带有相反电荷的分子，在不同配比下，可能出现增溶、形成可溶性复合物或形成不溶性复合物等复杂情况，如图2—20所示。实验观察到在阳离子表面活性剂氯苯甲烃铵水溶液中，阴离子药物的增溶行为随表面活性剂浓度变化出现不同变化。图中第1区为无复合物形成的澄明区，直线A－D代表了复合物溶度积；第2、3两区为形成不溶性复合物并可部分地或全部被表面活性剂增溶；而在药物浓度减小和表面活性剂浓度增加至CMC以上时，即在第4区药物被增溶而出现澄明，第5区系生成可溶性复合物。研究表明，随表面活性剂的烃链越长，即疏水性越强，在这类增溶中出现不溶性复合物的可能性越大。

　　(2)解离药物与非离子表面活性剂体系　解离药物与非离子表面活性剂的配伍很少形成不溶性复合物，但是体系的pH条件对解离药物的增溶量可能产生影响。对于弱酸性药物而言，在偏酸性环境中有较大程度增溶；对于弱碱性药物，则在偏碱性条件下有更多的增溶。但是，这种情况只发生在增溶位置是胶束烃核时，当增溶量与上述规律相反时，则有可能是增溶位置发生改变。例如，四环素为两性离子，在pH5.6时呈现最大脂溶性，即在等电点时应有最大增溶量。但事实上，随着表面活性剂溶液从pH2增加至pH5.6，增溶量反而减少，这可能就是因为两性离子的大小及形状因素阻止了其进入胶束烃核。

　　3．多组分增溶质的增溶

　　在制剂中常有多种组分存在，这些组分的化学结构及性质对表面活性剂的增溶产生复杂的影响。例如具有相同结构的增溶质可相互竞争同一增溶位置使各自的增溶量减小；一组分吸附或结合表面活性剂分子造成另一组分的增溶量减小；一组分可扩大胶束体积而增加对另一组分的增溶等。如苯甲酸可增加对羟基苯甲酸甲酯在聚氧乙烯脂肪醇醚溶液中的溶解度。相反二氯酚减少其溶解度。

　　4．抑茵剂的增溶

　　抑菌剂或其它抗菌药物在表面活性剂溶液中往往被增溶而降低活性，在这种情况下增加其用量是必要的。抑菌剂增加量的多少与其被增溶的量有关，也就是说，如果抑菌剂分配在胶束中越多，则其抑菌效力受到越大的影响。例如对羟基苯甲酸酯类，如果在表面活性剂溶液中的溶解度越高，要求的抑菌浓度就越大。对羟基苯甲酸丙酯和丁酯在水溶液中的抑菌浓度比其甲酯或乙酯低得多，但是，在表面活性剂溶液中，却需要高得多的浓度才能达到相同的抑菌效果，这就是因为其丙酯和丁酯的更强的疏水性质使之更容易增溶在胶束中的缘故。

　　5．表面活性剂溶液的化学稳定性

　　表面活性剂增溶药物的稳定性问题常有不同研究结果报道，表面活性剂在不同的场合可产生完全相反的结果，加速或抑制药物的降解。药物在胶束中的稳定性与胶束表面的性质、结构、胶束缔合体的反应性、药物本身的降解途径、环境的pH、离子强度等复杂因素有关，这些因素的综合作用决定了溶液中的氢离子、氢氧离子进攻增溶质的速率和胶束的荷电类型等。从简单的静电作用考虑，可以预计，阳离子表面活性剂可能增加亲核性阴离子与未带电反应物的反应速度，而阴离子表面活性剂则与之相反，降低这类物质的反应速度。例如在酯的碱性水解反应中，水解中间产物为带负电荷的阴离子，阳离子表面活性剂的正电荷只能加速其反应进行，阴离子表面活性剂则产生抑制作用。在酸水解中，情况可能相反，例如，青霉素等β-内酰胺类药物的酸水解被阳离子及非离子表面活性剂胶束所抑制而被阴离子表面活性剂胶束所催化。对于中性溶液中青霉素V的降解，离子表面活性剂和非离子表面活性剂既无保护作用也无催化作用。在某些情况下，阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂均抑制一些酯的碱水解。例如，苯甲酸乙酯在离子表面活性剂溶液中均表现更高的稳定性，这可能是药物与胶束的烃核和亲水基团均有强烈结合，氢氧离子不易进攻而提高了稳定性。对于这类情况。表面活性剂分子烃链越长，对疏水性酯的保护能力越强。但不同表面活性剂对增溶质的保护作用不相同，如在3.3％非离子表面活性剂、5％月桂醇硫酸钠和2.46％溴化鲸蜡基三甲基铵溶液中，苯佐卡因的水解半衰期分别增加4～5倍，18倍和10倍。

　　表面活性剂尤其是聚氧乙烯类非离子表面活性剂，如果在聚氧乙烯基发生部分水解和自氧化，生成的过氧化物将促使药物氧化降解，例如用聚氧乙烯脂肪醇醚增溶的苯佐卡因极容易氧化变黄。

　　6．利用表面活性剂提高药物溶出度

　　表面活性剂对固体药物的润湿作用可提高药物溶出度。表面活性剂在固体表面发生定向吸附，可改变药物的疏水性质，例如无味氯霉素、灰黄毒素、保泰松等许多药物均可用吐温80增加它们的溶出速率。用作润湿剂的表面活性剂可以通过测定固体药物润湿角的改变予以确定，润湿角越小，用量越低，润湿发生时间越短，则表面活性剂的润湿有效性越好，越有利于提高溶出速率。一般来说，非离子表面活性剂有较好的润湿效果，且碳氢链越长、聚氧乙烯链越短，对于固体药物的吸附越有利。阳离子表面活性剂的润湿性能较弱，在中性水溶液中，固体表面常带有负电荷，故与阳离子表面活性剂接触时，常导致亲油基团向空气排列，反而影响润湿。通过改变吸附溶液的pH值，可改变固体表面电荷，改变吸附行为。例如二氧化钛在pH较高时表面带负电荷，而在pH值较低时即带正电荷。但有研究发现，表面活性剂增加某些难溶性药物的溶出速率与提高润湿能力无关，在常用量下也不能形成胶束增溶，而是发挥一种反絮凝效果，使药物粒子与溶出介质有更大的接触面积。

　　表面活性剂在固体药物表面的吸附可以通过混合粉碎、喷雾干燥、溶解混合等多种方法完成。例如，可将表面活性剂直接与制剂处方成分充分混合或将其加入粘合剂中制粒，或直接用表面活性剂溶液作为制粒粘合剂或润湿剂等。使药物在表面活性剂溶液中充分吸附后再干燥；或将药物溶解在适宜有机溶剂中，加入一定浓度的表面活性剂水溶液，使药物在重结晶过程中吸附表面活性剂；或直接将溶解有药物和表面活性剂的有机溶液喷雾干燥制粒等，这些方法均可以使表面活性剂分子均匀分散在每个结晶粒子表面。对润湿和增进溶出常可起到很好的效果。

　　7．表面活性剂的增溶作用与吸收的关系

　　表面活性剂的增溶作用对于提高药物的溶解度和提高药物的溶出度具有很好效果，但在体内的吸收情况则不象其增溶效果那样简单。在口服给药时，如果药物系被增溶在胶束内而不仅是润湿作用，则对于吸收的影响取决于药物从胶束中扩散的速度和程度，也取决于胶束与胃肠生物膜融合的难易程度。如果药物可以顺利地从胶束内扩散或胶束本身迅速与胃肠粘膜融合，则增加吸收，如用0.04mol／L的去氧胆酸钠明显促进了灰黄霉素的口服吸收。同样地，在临界胶束浓度以上的去氧胆酸钠可使水杨酸的胃肠转运率增加100％～125％。相反当表面活性剂胶束与药物有较强结合而且胶束又不能通过胃肠屏障时，则不利于药物吸收。如低浓度(0.01％)的吐温80明显增加司可巴比妥的吸收，但当浓度增加到1％时，吸收反而下降，又如使用1.25％吐温80时，水杨酰胺的吸收速度为

1.3mg／min．而当浓度增加到10％时，吸收速度仅为0.5mg／min。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/92b1989ba55177232f60ddccda38376bae1fe0dc.html