药剂学：第四章 药物微粒分散系的基础理论

第四章第四章 药物微粒分散系的基础理论药物微粒分散系的基础理论第一节第一节 概述概述分散体系概念、特点分散体系概念、特点和应用及检测和应用及检测第二节第二节 物化性质物化性质主要物理性质：主要物理性质：动力学动力学，光学和电学，光学和电学第三节第三节 物理物理稳定性理论稳定性理论DLVO理论、空间稳定理论、空缺稳定理论理论、空间稳定理论、空缺稳定理论第一节第一节 概述概述分散体系分散体系(disperse system)是一种或几种物质高度分散在某种介质中所形成的体系。被分散的物质称为分散相分散相(disperse phase)，而连续的介质称为分散介质分散介质(disperse medium)。分散体系按分散相粒子的直径大小直径大小可分为小小分子真溶液分子真溶液(直径10-7m)。将微粒直径在10-910-4m范围的分散相统称为微粒微粒，由微粒构成的分散体系则统称为微微粒分散体系粒分散体系。粗分散体系的微粒给药系统包括混悬粗分散体系的微粒给药系统包括混悬剂、乳剂、微囊、微球等。剂、乳剂、微囊、微球等。它们的粒它们的粒径在径在500nm100 m范围内。范围内。胶体分散体系的微粒给药系统包胶体分散体系的微粒给药系统包括纳米微乳、脂质体、纳米粒、括纳米微乳、脂质体、纳米粒、纳米囊、纳米胶束等。纳米囊、纳米胶束等。它们的粒它们的粒径全都径全都小于小于1000nm。微粒分散体系的特殊性能：微粒分散体系的特殊性能：微粒分散体系首先是多相体系多相体系，分散相与分散介质之间存在着相界面，因而会出现大量的表面现象大量的表面现象；随分散相微粒直径的减少，微粒比表面积显著增大，使微粒具有相对较高的表面自由能，所以它是热力学不稳定体系热力学不稳定体系，因此，微粒分散体系具有容易絮凝、聚结、沉降的趋势，粒径更小的分散体系（胶体分散体系）还具有明显的布朗运动、丁铎尔现象、电泳布朗运动、丁铎尔现象、电泳等性质等性质。微粒分散体系在药剂学的重要意义：微粒分散体系在药剂学的重要意义：由于粒径小，有助于提高药物的溶解速度及溶解度，有利于提高难溶性药物的生物利用度；有利于提高药物微粒在分散介质中的分散性与稳定性；具有不同大小的微粒分散体系在体内分布上具有一定的选择性，如一定大小的微粒给药后容易被单核吞噬细胞系统吞噬；微囊、微球等微粒分散体系一般具有明显的缓释作用，可以延长药物在体内的作用时间，减少剂量，降低毒副作用；还可以改善药物在体内外的稳定性。 第二节第二节 微粒分散系的主要性质和特点微粒分散系的主要性质和特点动力学性质光学性质电学性质第二节第二节 微粒分散系的主要性质和特点微粒分散系的主要性质和特点微粒大小是微粒分散体系的重要参数，对其体内外的性能有重要的影响。微粒大小完全均一的体系称为单分散体系单分散体系；微粒大小不均一的体系称为多分散体系多分散体系。绝大多数微粒分散体系为多分散体系。常用平均粒径平均粒径来描述粒子大小。常用的粒径表示方法：几何学粒径、比表面粒径、有效粒径等。微粒大小的测定方法有光学显微镜法、电子显微镜法、激光散射法、库尔特计数法、Stokes沉降法、吸附法等。一、微粒大小与测定方法一、微粒大小与测定方法小于50nm的微粒能够穿透肝脏内皮，通过毛细血管末梢或通过淋巴传递进入骨髓组织。静脉注射、腹腔注射0.13.0m的微粒分散体系能很快被单核吞噬细胞系统的巨噬细胞所吞噬，最终多数药物微粒浓集于巨噬细胞丰富的肝脏和脾脏等部位，血液中的微粒逐渐被清除。人肺毛细血管直径为2m，大于肺毛细血管直径的粒子被滞留下来，小于该直径的微粒则通过肺而到达肝、脾，被巨噬细胞清除。注射大于50m的微粒，可使微粒分别被截留在肠、肝、肾等相应部位。二、微粒大小与体内分布二、微粒大小与体内分布布朗运动布朗运动是微粒扩散的微观基础，而扩是微粒扩散的微观基础，而扩散和沉降现象又是布朗运动的宏观表现。散和沉降现象又是布朗运动的宏观表现。布朗运动使很小的微粒具有了动力学稳布朗运动使很小的微粒具有了动力学稳定性。定性。三、微粒的动力学性质三、微粒的动力学性质布朗运动：粒子永不停息的无规则的直线布朗运动：粒子永不停息的无规则的直线运动运动布朗运动是粒子在每一瞬间受介质分子碰布朗运动是粒子在每一瞬间受介质分子碰撞的合力方向不断改变的结果。撞的合力方向不断改变的结果。由于胶粒不停运动，从其周围分子不断获由于胶粒不停运动，从其周围分子不断获得动能，从而可抗衡重力作用而不发生聚得动能，从而可抗衡重力作用而不发生聚沉。沉。（一）（一）Brown运动运动微粒作布朗运动时的平均位移可用布朗运动方程微粒作布朗运动时的平均位移可用布朗运动方程表示：表示： (4-1)t时间；时间；T系统热力学温度；系统热力学温度； 介质黏度介质黏度r微粒半径；微粒半径；L阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数小的微粒在动力学上是稳定体系。小的微粒在动力学上是稳定体系。r愈小，介质粘度愈小，温度愈高，粒子的愈小，介质粘度愈小，温度愈高，粒子的平均位移愈大，布朗运动愈明显。平均位移愈大，布朗运动愈明显。rLRTt3作为作为BrownBrown运动的结果，胶体质点可自发地从高浓度运动的结果，胶体质点可自发地从高浓度区域向低浓度区域扩散。扩散速率遵从区域向低浓度区域扩散。扩散速率遵从FickFick第一定律第一定律： (4-2) 式中，式中， 扩散速度；扩散速度； 胶体分散系的浓度梯胶体分散系的浓度梯度；度；D扩散系数；扩散系数；A扩散界面扩散界面S的面积。负号表示扩的面积。负号表示扩散方向与浓度梯度的方向相反。散方向与浓度梯度的方向相反。dtdm（二）扩散与渗透压（二）扩散与渗透压dxdCDAdtdmdxdCBrown运动的位移与扩散系数之间的关系： （4-3）上述两公式综合可得： （4-4）可见粒子的扩散能力和粒子的大小成反比，粒径越大，扩散能力越弱Dt2rLRTD61半透膜两侧分别放入溶液和纯溶剂，这时纯溶剂侧的溶剂分子通过半透膜的扩散到溶液侧，这种现象称为渗透渗透。如果没有半透膜，溶质分子将从高浓度向低浓度方向扩散。胶体粒子比溶剂分子大得多，不能通过半透膜，因此在溶胶和纯溶剂之间会产生渗透压，渗透压的大小可用稀溶液的渗透压公式计算： =cRT （4-5）式中，渗透压，c溶胶的浓度，R气体常数，T绝对温度。（三）沉降与沉降平衡 在一个分散体系中微粒的密度大于分散介质的密度，就会发生沉降。 如果是粗分散体系，粒子较大，经过一段时间以后，粒子会全部沉降到容器的底部。如果粒子比较小，由于粒子的布朗运动布朗运动，一方面受到重力作用而沉降，另一方面由于沉降使上、下部分的浓度发生变化，引起扩散扩散作用作用，使浓度趋向于均匀。 当沉降和扩散这两种方向相反的作用力达到平衡时，体系中的粒子以一定的浓度梯度分步，这种平衡称作沉降平衡。 达到沉降平衡后体系的最下部浓度最大，随高度的上升浓度逐渐减小。粒径较大的微粒受重力作用，静置时会自粒径较大的微粒受重力作用，静置时会自然沉降，其沉降速度服从然沉降，其沉降速度服从Stokes定律：定律： (4-11) V-微粒沉降速度；微粒沉降速度；r-微粒半径；微粒半径；1、2-分别为微粒和分散分别为微粒和分散介质密度；介质密度； -分散介质粘度；分散介质粘度；g-重力加速度常数。重力加速度常数。 9)(2212grVr r愈大，微粒和分散介质的密度差愈大，分散介质愈大，微粒和分散介质的密度差愈大，分散介质的粘度愈小，粒子的沉降速度愈大。的粘度愈小，粒子的沉降速度愈大。如果有一束光线在暗室内通过微粒分散体系，当微粒大小适当时，光的散射现象十分明显，在其侧面可以观察到明显的乳光，这就是Tyndall现象。丁铎尔现象丁铎尔现象(Tyndall phenomenon) 是微粒散射光的宏观表现。同样条件下，粗分散体系由于反射光为主，不能观察到丁铎尔现象；而低分子的真溶液则是透射光为主，同样也观察不到乳光。可见，微粒大小不同，光学性质相差很大。 胶体分散系胶体分散系散射光。散射光。四、微粒的光学性质四、微粒的光学性质 丁达尔现象丁达尔现象丁达尔现象（丁达尔现象（Tyndall phenomena）在暗室中，将一束光通过溶胶时，在侧在暗室中，将一束光通过溶胶时，在侧面可看到一个发亮的光柱，称为面可看到一个发亮的光柱，称为乳光乳光，即丁达尔（即丁达尔（Tyndall）现象。）现象。（一）电泳（一）电泳在电场的作用下微粒发生定向移动电泳（electron phoresis).微粒在电场作用下移动的速度与其粒径大小成反比，其他条件相同时，微粒越小，移动越快。（二）微粒的双电层结构（二）微粒的双电层结构在微粒分散体系的溶液中，微粒表面的离子与靠近表面的反离子构成了微粒的吸附层吸附层；同时由于扩散作用，反离子在微粒周围呈现距微粒表面越远则浓度越稀的梯度分布形成微粒的扩散层扩散层，吸附层与扩散层所带电荷相反。微粒的吸附层与相邻的扩散层共同构成微粒的双电层结构。五、微粒的电学性质五、微粒的电学性质从吸附层表面至反离从吸附层表面至反离子电荷为零处的电位子电荷为零处的电位差叫动电位，即差叫动电位，即电电位。位。 电位与微粒的电位与微粒的物理稳定性关系密切。物理稳定性关系密切。=/r在相同的条件下，微在相同的条件下，微粒越小，粒越小， 电位越高。电位越高。微粒的双电层结构微粒的双电层结构固定层固定层：微粒表微粒表面面sternstern面面（扩散层中反离子电性中心构（扩散层中反离子电性中心构成的面）成的面） 扩散层：扩散层：切动面切动面电势为零电势为零电位：电位：切动面切动面电势为电势为零处的电位差，也叫动电零处的电位差，也叫动电位。位。电位电位是衡量胶粒带电荷是衡量胶粒带电荷多少的指标。多少的指标。溶胶粒子表面电荷的来源溶胶粒子表面电荷的来源u电离作用：电离作用：胶粒的基团解离；硅胶粒子表面的胶粒的基团解离；硅胶粒子表面的SiO2分子与水生成分子与水生成H2SiO3，若解离生成若解离生成SiO32-，使硅溶胶带负电，介质含有使硅溶胶带负电，介质含有H+离子而带正电。离子而带正电。u吸附作用：吸附作用：胶粒优先吸附与自身有相同成分的胶粒优先吸附与自身有相同成分的离子。如离子。如AgNO3与与KIAgI，可吸附，可吸附Ag+或或I-带带电。电。u摩擦带电：摩擦带电：非导体构成的体系中，介电常数较非导体构成的体系中，介电常数较大的一相易带正电，另一相带负电。如玻璃大的一相易带正电，另一相带负电。如玻璃(15)在水中在水中(81)带负电，苯中带负电，苯中(2)带正电。带正电。第三节第三节 微粒分散体系的物理稳定性微粒分散体系的物理稳定性 微粒分散药物制剂的稳定性应当包括以下微粒分散药物制剂的稳定性应当包括以下几个方面：几个方面：1药物制剂的化学稳定性；药物制剂的化学稳定性；2药物制剂的药物制剂的物理稳定性物理稳定性；3生物活性稳定性；生物活性稳定性；4疗效稳定性；疗效稳定性；5毒性稳定性毒性稳定性。 其中，微粒分散体系的物理稳定性。在宏观上，微粒分散体系的物理稳定性可表现为微粒粒径的变化微粒粒径的变化，微微粒的絮凝粒的絮凝、聚结聚结、沉沉降降、乳析乳析和和分层分层等等。表征方式如下三个方面： 一、热力学稳定性一、热力学稳定性 二、动力学稳定性二、动力学稳定性 三、絮凝与反絮凝三、絮凝与反絮凝理论体系包括三个方面：理论体系包括三个方面：四四、DLVO理论理论五、空间稳定理论五、空间稳定理论六、空缺稳定理论六、空缺稳定理论一一、热力学稳定性热力学稳定性微粒分散系是热力学不稳定体系微粒分散系是热力学不稳定体系，是具有巨大表面的开放体系。根据是具有巨大表面的开放体系。根据热力学理论，体系的热力学理论，体系的Gibbs自由能自由能G的增加可用下式表示。的增加可用下式表示。 G=A表面张力；表面张力；A是制备微粒分散系时体系表面积的改变值。是制备微粒分散系时体系表面积的改变值。当当为正值时，为正值时，G则增大，具有过剩表面自则增大，具有过剩表面自由能。由最小能量原理可知，体系有从高能由能。由最小能量原理可知，体系有从高能量自动地向低能量变化的趋势，小粒子自动量自动地向低能量变化的趋势，小粒子自动地聚集成大粒子，使体系表面积减小，因此地聚集成大粒子，使体系表面积减小，因此是是热力学不稳定体系热力学不稳定体系。当当0时，是热力学稳定体系。时，是热力学稳定体系。故制备此类分散系时均需加入稳定剂故制备此类分散系时均需加入稳定剂(表面活表面活性剂或某些电解质离子）吸附在微粒表面上，性剂或某些电解质离子）吸附在微粒表面上，使使降低降低, 体系就具有一定的稳定性。体系就具有一定的稳定性。制备微粒分散系制剂时增加稳定性的方法制备微粒分散系制剂时增加稳定性的方法（1）加入表面活性剂或使）加入表面活性剂或使降低降低, 体系就具有体系就具有一定的稳定性。一定的稳定性。（2）某些电解质离子吸附在微粒表面上，形）某些电解质离子吸附在微粒表面上，形成机械性或电性保护膜，防止微粒间的聚结。成机械性或电性保护膜，防止微粒间的聚结。 （3）增加介质黏度也是一种常用的方法）增加介质黏度也是一种常用的方法在在1980年已制得热力学稳定的氢氧化铝溶胶，年已制得热力学稳定的氢氧化铝溶胶，说明制备热力学稳定的微粒分散系是可能的。说明制备热力学稳定的微粒分散系是可能的。 二、动力学稳定性二、动力学稳定性主要表现在两个方面：1.布朗运动 提高微粒分散体系的物 理稳定性2.重力产生的沉降 使微粒分散体系的物 理稳定性下降当微粒较小，布朗运动起主要作用，当微粒较小，布朗运动起主要作用，当微粒较大时，重力起主要作用。当微粒较大时，重力起主要作用。当微粒的半径大于当微粒的半径大于1m后，微粒的平均位后，微粒的平均位移只有移只有0.656m/s，在分散介质中受重力场，在分散介质中受重力场作用而匀速运动，此时应按作用而匀速运动，此时应按，其沉降或上浮的速度其沉降或上浮的速度V以下式表示：以下式表示： V= 2r2（ 1 - 2 ）g/ 9 (4-11)式中，式中，r微粒的半径；微粒的半径；g重力加速重力加速度；度；分散介质的粘度；分散介质的粘度；1和和2微微粒和分散介质的密度。粒和分散介质的密度。 当微粒半径当微粒半径r1m后，则微粒就要沉降或后，则微粒就要沉降或上浮，动力稳定性较差。上浮，动力稳定性较差。因此为了减小微粒沉降或上浮的速度，则因此为了减小微粒沉降或上浮的速度，则通过通过增加分散介质的粘度，加入增稠剂，增加分散介质的粘度，加入增稠剂，调节微粒与分散介质的密度差调节微粒与分散介质的密度差，使，使12 这样可提高此微粒分散制剂的稳定性。这样可提高此微粒分散制剂的稳定性。最主要的是最主要的是减小微粒的半径减小微粒的半径，当微粒半径，当微粒半径r从从 10m减小为减小为 1m时，其沉降速度从时，其沉降速度从4.36102m/s降低为降低为4.36m/s，相差，相差100倍。倍。沉降速度可用来评价粗分散体系的动力学沉降速度可用来评价粗分散体系的动力学稳定性，速度越小说明体系越稳定，反之稳定性，速度越小说明体系越稳定，反之则不稳定。则不稳定。混悬剂中药物微粒与介质间存在密度差，混悬剂中药物微粒与介质间存在密度差，如药物微粒的密度较大，由于重力的作如药物微粒的密度较大，由于重力的作用，静置时会出现沉降，如微粒为球体，用，静置时会出现沉降，如微粒为球体，其间无静电干扰，不受器皿影响，且不其间无静电干扰，不受器皿影响，且不发生湍流条件下，沉降速度符合下列公发生湍流条件下，沉降速度符合下列公式中的哪一个（）式中的哪一个（）. V= 2rV= 2r2 2（ 1 1 - - 2 2 ）g/ 9g/ 9 （）（）（）（）微粒表面的电学特性也会影响微粒分散体系的物理稳定性。扩散双电层的存在，使微粒表面带有同种电荷，在一定条件下因互相排斥而稳定。双电层厚度越大，微粒越稳定。体系中加入一定量的某种电解质，使微粒的物理稳定性下降，出现絮凝状态。反絮凝过程可使微粒表面的电位升高。三、絮凝与反絮凝三、絮凝与反絮凝为了得到稳定的微粒分散体系，一般应控制为了得到稳定的微粒分散体系，一般应控制电势在电势在2025mV范围内，使其恰好能产生絮范围内，使其恰好能产生絮凝作用。凝作用。絮凝剂主要是具有不同价数的电解质，其中絮凝剂主要是具有不同价数的电解质，其中阴离子絮凝作用大于阳离子。阴离子絮凝作用大于阳离子。电解质的絮凝效果与离子的价数有关电解质的絮凝效果与离子的价数有关，离子，离子价数增加价数增加1，絮凝效果增加十倍。常用的絮凝，絮凝效果增加十倍。常用的絮凝剂有枸橼酸盐、酒石酸盐、磷酸盐及氰化物剂有枸橼酸盐、酒石酸盐、磷酸盐及氰化物等。等。增加微粒分散体系的物理稳定性方法：增加微粒分散体系的物理稳定性方法：加入絮凝加入絮凝剂；剂；加入亲水性高分子物质；加入亲水性高分子物质；加入絮凝加入絮凝剂和亲水性高分子物质剂和亲水性高分子物质。Q：同一电解质可因加入量的不同，在微粒同一电解质可因加入量的不同，在微粒分散体系中起絮凝作用分散体系中起絮凝作用（降低（降低电位）电位）或或反絮凝作用反絮凝作用（增高（增高电位）电位）判断题（是或否）判断题（是或否） 絮凝剂在微粒分散体系中起絮凝作用絮凝剂在微粒分散体系中起絮凝作用, 增增高高电位。（电位。（ ）微粒分散体系微粒分散体系物理稳定性物理稳定性理论理论DLVO理论理论空间稳定理论空间稳定理论空缺稳定理论空缺稳定理论四、四、DLVODLVO理论理论Derjaguin、Landau和和Verwey、Overbeek四人以四人以微微粒间的相互吸引和相互排斥力粒间的相互吸引和相互排斥力为基础，提出为基础，提出DLVO理论，它能够比较完善地解释理论，它能够比较完善地解释电解质电解质对微对微粒多相分散系稳定性的影响。粒多相分散系稳定性的影响。DLVO理论可以定量说明电解质使溶胶发生聚沉的理论可以定量说明电解质使溶胶发生聚沉的价数规则，但对高分子聚合物和非离子型表面活性价数规则，但对高分子聚合物和非离子型表面活性剂的稳定作用不能解释。剂的稳定作用不能解释。微粒间存在的作用力一般有以下五种：微粒间存在的作用力一般有以下五种：（1 1）范德华引力或电磁引力；）范德华引力或电磁引力；（2 2）静电斥力；）静电斥力；（3 3）BornBorn力力- -短距离斥力；短距离斥力；（4 4）空间力）空间力- -依赖于微粒界面上的分子的几何形状依赖于微粒界面上的分子的几何形状和空间结构；和空间结构；（5 5）溶剂化力）溶剂化力- -这是由于邻近粒子间吸附的溶剂量这是由于邻近粒子间吸附的溶剂量改变而引起的作用力。改变而引起的作用力。DLVO理论是关于微粒稳定性的理论。（一）微粒间的van der Waals吸引能（A）（二）双电层的排斥作用能（ R）（三）微粒间总相互作用能（ T）（四）临界聚沉浓度（一）（一）两个球形粒子间的引力两个球形粒子间的引力-范德华引力范德华引力任何两个粒子之间都存在任何两个粒子之间都存在范德华引力范德华引力，它是多，它是多个分子的色散力、极性力和诱导偶极力之和，个分子的色散力、极性力和诱导偶极力之和，其大小与粒子间距离的六次方成反比，称为六其大小与粒子间距离的六次方成反比，称为六次率。对于两个体积相等的球形粒子，若两球次率。对于两个体积相等的球形粒子，若两球表面间距离表面间距离H0比粒子半径比粒子半径a小得多，小得多，如图如图4-2，可近似得到两粒子间的引力势能：可近似得到两粒子间的引力势能：Hamaker假设：微粒间的相互作用等于组成它们的各分子之间的相互作用的加和。 （4-18）式中，式中，H两球之间的最短距离，两球之间的最短距离， a球球型微粒的半径，型微粒的半径，AHamaker常数常数 ，与粒，与粒子性质（如单位体积内的原子数、极化率等）子性质（如单位体积内的原子数、极化率等）有关，其数值在有关，其数值在10-1910-20J之间。之间。HaA12A微粒间引力 （4-18）式只适用于近距离的球形粒子）式只适用于近距离的球形粒子之间的吸引力，是在真空条件下推导得之间的吸引力，是在真空条件下推导得到的，并未考虑溶剂的影响。到的，并未考虑溶剂的影响。 同物质微粒间的van der Waals作用永远是相互吸引，介质的存在能减弱吸引作用，而且介质与微粒的性质越接近，微粒间的相互吸引就越弱（二）双电层的排斥作用能（二）双电层的排斥作用能当微粒接近到它们的双电层发生重叠，并改变了当微粒接近到它们的双电层发生重叠，并改变了双电层电势与电荷分布时，才产生排斥作用。双电层电势与电荷分布时，才产生排斥作用。微粒的双电层因重叠而产生排斥作用是微粒的双电层因重叠而产生排斥作用是DLVO理理论的核心。论的核心。计算双电层排斥作用的最简便方法是采用计算双电层排斥作用的最简便方法是采用Langmuir的方法。的方法。R =64a0 k Txr20e-xH微粒间的静电微粒间的静电斥力势能斥力势能：若两球形粒子面之间距：若两球形粒子面之间距离为离为H，半径为，半径为a，两球形粒子面的最短距离为，两球形粒子面的最短距离为H0，其微粒子间的斥力势能为：，其微粒子间的斥力势能为： (4-20)式中，式中， 0微粒表面电势；微粒表面电势；介电常数；介电常数；a a微粒半径；微粒半径；H H0 0两粒子球面间的最短距离；两粒子球面间的最短距离；kk波兹曼常数波兹曼常数表明两球形微粒之间的相斥势能随表明两球形微粒之间的相斥势能随 0 0和和a a的增加的增加而而升高升高，随，随H H0 0增加增加以以指数形式减少指数形式减少。)exp(21020kHaR微粒间总相互作用能：T= A + R以T对微粒间距离H作图，即得总势能曲线。（三）微粒间总相互作用能（三）微粒间总相互作用能T第一级小第二级小h微粒的物理稳定性取微粒的物理稳定性取决于总势能曲线上势决于总势能曲线上势垒的大小。垒的大小。Fig 4-6势能曲线中有一最高点，叫做斥力势垒，只有势能曲线中有一最高点，叫做斥力势垒，只有粒子的动能超过这一点时才能聚沉，所以势垒粒子的动能超过这一点时才能聚沉，所以势垒的高低往往标志着微粒分散系稳定性的大小。的高低往往标志着微粒分散系稳定性的大小。图图4-64-6。也有可能曲线上没有势垒，表示在任何距离下也有可能曲线上没有势垒，表示在任何距离下斥力都不能克服粒子之间的引力，因此会相互斥力都不能克服粒子之间的引力，因此会相互聚集，最终产生沉淀。聚集，最终产生沉淀。 斥力势能为正，引力势能为负，总斥力势能为正，引力势能为负，总的势能曲线决定于胶粒间引力和斥力相的势能曲线决定于胶粒间引力和斥力相互作用的结果。互作用的结果。H粒子间距粒子间距0势能势能VA引力势能引力势能VR1VR2斥力势能斥力势能V1V2总势能总势能微粒的物理稳定性微粒的物理稳定性取决于总势能曲线取决于总势能曲线上势垒的大小。上势垒的大小。如图所示，如图所示，VA只在很短距离内起作用，只在很短距离内起作用，VR的作用距离稍远些。的作用距离稍远些。当粒子逐渐接近时，首先起作用的是相斥当粒子逐渐接近时，首先起作用的是相斥势能，如果粒子能克服势能，如果粒子能克服VR并作进一步靠拢，并作进一步靠拢，直到某一距离时直到某一距离时VA才起作用，随后粒子愈才起作用，随后粒子愈接近，接近，VA的影响愈显著。的影响愈显著。势能曲线形状决定于势能曲线形状决定于VA 与与VR 的相对大小。的相对大小。总势能曲线上的势垒的高度随溶液中电解质浓度的加大而降低，当电解质浓度达到某一数值时，势能曲线的最高点恰好为零，势垒消失，体系由稳定转为聚沉，这就是临界聚沉状态临界聚沉状态，这时的电解质浓度即为该微粒分散体系的聚沉值。聚沉值。将在第一极小处发生的聚结称为聚沉聚沉(coagulation)，将在第二极小处发生的聚结叫絮凝絮凝(flocculation)。（四）临界聚沉浓度（四）临界聚沉浓度 五、空间稳定理论五、空间稳定理论 在微粒分散系中加入一定量的高分子化合物在微粒分散系中加入一定量的高分子化合物或缔合胶体，可显著提高体系的稳定性，这或缔合胶体，可显著提高体系的稳定性，这种现象称为高分子的保护作用，近年来又称种现象称为高分子的保护作用，近年来又称为空间稳定性（为空间稳定性（steric stabilitysteric stability）。）。由于由于Hesselink Vrij和和Overbeek所做的工作较所做的工作较多，故称为多，故称为HVOHVO理论。它是由于吸附高分子化理论。它是由于吸附高分子化合物，在胶体粒子周围形成一薄层而稳定的。合物，在胶体粒子周围形成一薄层而稳定的。而而DLVODLVO理论是由于分散相粒子吸附了一层电理论是由于分散相粒子吸附了一层电解质离子，产生静电斥力而稳定的。解质离子，产生静电斥力而稳定的。 五、空间稳定理论五、空间稳定理论微粒表面上吸附的大分子从空间阻碍了微粒相互接近，进而阻碍了它们的聚结，这类稳定作用为空间稳定作用。一般用高分子作为稳定剂。（一）实验规律1.分子稳定剂的结构特点：分子稳定剂的结构特点：高分子应于微粒有很强的亲和力，同时应与溶剂具有良好的亲和性。2.高分子的浓度与分子量的影响：高分子的浓度与分子量的影响：通常，分子量越大，高分子在微粒表面上形成的吸附层越厚，稳定效果越好。高分子低于临界分子量时，无保护作用（敏化作用）。3.溶剂的影响：溶剂的影响：高分子在良溶剂中链段能伸展，吸附层变厚，稳定作用增强。在不良溶剂中，高分子的稳定作用变差。温度的改变可改变溶剂对高分子的性能。（二）理论基础（二）理论基础（1）体积限制效应理论）体积限制效应理论 两微粒接近时，两微粒接近时，吸附层不能互相穿透吸附层不能互相穿透，造，造成了空间限制，高分子链可能采取的构型数减成了空间限制，高分子链可能采取的构型数减少，少，构型熵构型熵降低。熵的降低引起自由能增加，降低。熵的降低引起自由能增加，从而产生从而产生排斥作用排斥作用。 （2）混合效应理论）混合效应理论 微粒表面的高分子微粒表面的高分子吸附层可以互相穿透吸附层可以互相穿透，两个一定浓度的高分子液混合，其中高分子链两个一定浓度的高分子液混合，其中高分子链段之间及高分子与溶剂之间相互作用发生变化。段之间及高分子与溶剂之间相互作用发生变化。 若自由能变化为若自由能变化为正正，微粒互相，微粒互相排斥排斥，起保，起保护作用；若自由能为护作用；若自由能为负负，则起，则起絮凝絮凝作用，吸附作用，吸附层促使微粒聚结。层促使微粒聚结。两种稳定理论两种稳定理论2.微粒稳定性的判断微粒稳定性的判断： GR=HRTSR （4-22） 若使胶粒稳定，则GR0，有如下三种情况： HR，SR0，但HRTSR，焓变起稳定作用，熵变则反之，加热会使体系不稳定，容易聚沉： HR，SR0，但|HR|0，SR10000)，C1和和C2值均与值均与M1/2成反比。成反比。影响空缺稳定的因素：影响空缺稳定的因素： 2 2微粒大小的影响微粒大小的影响 分子量为分子量为10000的聚氧乙烯作自由聚合物时，随着的聚氧乙烯作自由聚合物时，随着微粒粒度的增大，微粒粒度的增大，C1和和C2值同时减少，即尺寸较值同时减少，即尺寸较大的微粒在高浓度聚合物液中呈现较大稳定性，大的微粒在高浓度聚合物液中呈现较大稳定性，而在低浓度的同样聚合物液中呈现较大聚沉性。而在低浓度的同样聚合物液中呈现较大聚沉性。 3溶剂的影响溶剂的影响 良好的溶剂与聚合物的相互作用力较大，可使聚良好的溶剂与聚合物的相互作用力较大，可使聚合物分子在溶液中充分伸展，其混合使体系的自合物分子在溶液中充分伸展，其混合使体系的自由能减少更多；相反，分离则使自由能增加更多，由能减少更多；相反，分离则使自由能增加更多，因而因而C1和和C2值都较小。对于不良溶剂，聚合物分值都较小。对于不良溶剂，聚合物分子在溶液中呈卷曲状，子在溶液中呈卷曲状，C1和和C2值都较大。值都较大。微粒分散系物理稳定理论研究，目前根据稳定微粒分散系物理稳定理论研究，目前根据稳定剂作用性质形成三种理论，其区别如表剂作用性质形成三种理论，其区别如表4-1。 微粒分散体系三种稳定理论微粒分散体系三种稳定理论 DLVO理论理论空间稳定理论空间稳定理论空缺稳定理论空缺稳定理论1.稳定剂性质电解质高分子化合物高分子化合物2.吸附性质正吸附正吸附负吸附3.稳定的本质热力学亚稳定热力学稳定热力学亚稳定4.微粒间相互作用长程范德华引力VA与扩散双电层静电斥力空间斥力势能VsVS=VSe +VSE +VSO +V长程范德华力VA空缺层重叠产生渗透吸附能及G增大的斥力势能七、微粒聚结动力学七、微粒聚结动力学 自自 学学 聚沉速度是微粒稳定性的定量反映。微粒稳定是由于总势能曲线上势垒的存在。若势垒为零，则微粒相互接近时必然导致聚结，称为快聚结快聚结。若有势垒存在，则只有其中的一部分聚结，称为慢聚结慢聚结。（一）快聚结（一）快聚结当微粒间不存在排斥势垒(T=0)时，微粒一经碰撞就会聚结，其速度由碰撞速率决定，而碰撞速率又由微粒布朗运动决定，即由微粒的扩散速度决定，研究快速聚结动力学实际上是研究微粒向另一微粒的扩散。dN/dt=-4DRN2 表明聚结作用是双分子反应，其速率与微粒浓度的平方成正比。快速聚结速度与微粒大小无关，若温度与介质粘度固定，聚结速度与微粒浓度的平方成正比。当存在势垒时，聚结速度比公式所预测的要小得多。若忽略介质水中的切变影响；当势垒主要由双电层斥力和色散力所引起时，可以得出如下公式：G两个微粒聚结的速度常数；k波兹曼常数；介质粘度；r1、r2两个微粒各自的半径；12构成势垒的因子，它与总势能由T、两微粒中心距离R等有关。（二）慢聚结（二）慢聚结G = 2kT312(1/r1- 1/r2)(r1+ r2)G G的影响因素：的影响因素：(1)电解质影响电解质影响，将氯化钠溶液的浓度由将氯化钠溶液的浓度由1%1%2%2%稀释至稀释至0.1%0.1%，聚结速度降低几十倍至几百倍。聚结速度降低几十倍至几百倍。(2)(2)微粒的大小对电解质效应也有影响微粒的大小对电解质效应也有影响，随电解质浓度增加，随电解质浓度增加，0.5m0.5m的微粒比的微粒比0.1m0.1m的微粒对电解质的敏感度的微粒对电解质的敏感度(G(G值值) )要大好要大好几个数量级，这特别适用于乳剂聚结的动力学，此时，表面几个数量级，这特别适用于乳剂聚结的动力学，此时，表面膜的破裂不是聚结速度的决定因素。小的粒子优先聚结膜的破裂不是聚结速度的决定因素。小的粒子优先聚结( (相同相同电解质浓度下，小粒子电解质浓度下，小粒子G G值小值小) )。(3)(3)随微粒半径增大，第二最低势能随微粒半径增大，第二最低势能V Vminmin也增大，对于也增大，对于0.5m0.5m的的粒子，越过主要能垒粒子，越过主要能垒(V(Vmaxmax) )的概率很小，的概率很小，V Vminmin也可能比也可能比kTkT大好大好几倍，在有大颗粒几倍，在有大颗粒(1m)(1m)的情况下；聚结转入第二势能最低的情况下；聚结转入第二势能最低值是很重要的，这种类型聚结的结果，微粒结合得很弱且很值是很重要的，这种类型聚结的结果，微粒结合得很弱且很容易再分散。容易再分散。当被吸附的聚合物只覆盖一小部分表面时，它们往往使微粒对电解质的敏感性大大增加，可以减少引起絮凝作用所需的电解质的量。称这种絮凝作用为敏化敏化(sensitization)。敏化的作用机制是聚合物的高分子长链同时吸附在两个微粒上，形成分子桥。（三）架桥聚结（三）架桥聚结聚合物有效覆盖微粒表面小部分覆盖微粒表面空间保护作用架桥聚结八、微粒分散系稳定性研究方法八、微粒分散系稳定性研究方法对微粒分散系的稳定性研究，一般是以分散系分散系中微粒的大小及分布、微粒分散系的光学性质、中微粒的大小及分布、微粒分散系的光学性质、微粒荷电性质、微粒系统的流变性等变化微粒荷电性质、微粒系统的流变性等变化为依据，主要采取的研究方法有浊度法、光散射法、漫浊度法、光散射法、漫反射光谱法、电导法、动电位法、沉降法、离反射光谱法、电导法、动电位法、沉降法、离心沉降法直接测定微粒粒径大小变化，有纳米心沉降法直接测定微粒粒径大小变化，有纳米微粒检测仪微粒检测仪NICOMP380，激光电泳仪，激光电泳仪ILS380等。简答题简答题1、根据、根据Stokes 定律，简述延缓混悬微粒沉降定律，简述延缓混悬微粒沉降速率的措施。速率的措施。2、何谓絮凝和反絮凝剂？其作用机理如何？、何谓絮凝和反絮凝剂？其作用机理如何？3、物理稳定性理论、物理稳定性理论