王長(zhǎng)進(jìn) 施慶樂(lè) 金 江

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京：210009)

1 前言

乳狀液是一種液體分散在互不相溶的另外一種液體里所形成的混合物，被分散的液體稱為分散相，另一種液體則稱為連續(xù)相。水包油乳液(O/W)則是一種分散相為油相、連續(xù)相為水相的乳液，廣泛應(yīng)用于藥物的控制釋放、化妝品、食品以及其它化工行業(yè)中。膜乳化法是在乳化分散領(lǐng)域所使用的新方法，最早研究可以追溯到1988年，Nakashima等制備出硅砂多孔玻璃膜并用來(lái)乳化，其原理是給分散相一定壓力使其穿過(guò)微孔膜而在膜表面形成液滴，連續(xù)相在磁力攪拌的作用下產(chǎn)生剪切力對(duì)膜面的分散相液滴形成沖刷作用，液滴的尺寸超過(guò)臨界大小時(shí)就從膜表面剝離，液滴的表面覆蓋了一層乳化劑，從而形成乳狀液[1-5]，膜乳化原理示意圖[6]如圖1。該法的突出特點(diǎn)[7]是：(1)乳狀液尺寸較小且均勻，穩(wěn)定性較好；(2)乳狀液尺寸可以通過(guò)膜孔徑和操作條件控制；(3)膜乳化需要的剪切力較小，能耗較低。

對(duì)于給定微孔膜孔徑條件下，連續(xù)相流速和膜面壓差成為膜乳化過(guò)程主要控制因素，對(duì)所制備乳液粒徑起決定作用。本文采用氧化鋁陶瓷微濾膜，以聚甘油單硬脂酸酯為乳化劑，分散相為大豆油，連續(xù)相為去離子水，主要研究了連續(xù)相流速和膜面壓差對(duì)乳狀液平均粒徑的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的乳化裝置如圖2所示。所使用的陶瓷微濾膜由南京天亞膜分離技術(shù)有限公司提供，陶瓷膜平均孔徑0.1μm，支撐體及膜材質(zhì)均為α-Al2O3；磁力攪拌器（HJ-3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司）；壓力表（不銹鋼壓力表，蘇州晨光儀表制造有限公司）；空氣壓縮機(jī)（WM-5無(wú)油氣體壓縮機(jī)，天津市醫(yī)療器械二廠）；光學(xué)顯微鏡（XJX-1，南京江南永新光學(xué)有限公司）。

圖1 膜乳化原理示意圖Fig.1 Schematic of membrane emulsification process

圖2 自制陶瓷膜乳化裝置示意圖Fig.2 Schematic of self-made ceramic membrane emulsification

2.2 化學(xué)試劑

膜乳化實(shí)驗(yàn)中的分散相為大豆油（福臨門大豆油，中糧食品營(yíng)銷有限公司）；連續(xù)相為去離子水；乳化劑為聚甘油單硬脂酸酯（食品級(jí)，武漢遠(yuǎn)城科技發(fā)展有限公司）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

向燒杯中加入450ml去離子水和適量的乳化劑，打開磁力攪拌器電源，調(diào)節(jié)至一定轉(zhuǎn)速，打開加熱電源，將連續(xù)相加熱并恒溫至70℃；將50ml大豆油加入設(shè)備儲(chǔ)料處，密封實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力至一定數(shù)值，膜乳化過(guò)程開始進(jìn)行。記錄實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，直至膜乳化過(guò)程結(jié)束。然后，分別改變操作參數(shù)，制備不同的乳狀液。用光學(xué)顯微鏡觀察乳狀液形貌，并計(jì)算乳液粒徑尺寸。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同乳化方法對(duì)乳化效果的影響

傳統(tǒng)的乳化方法主要有機(jī)械攪拌法和超聲波法等，所制得的乳狀液液滴的大小主要取決于機(jī)械攪拌產(chǎn)生的剪切力或空化作用對(duì)分散相的物理破碎分散程度，這些方法不能有效地控制液滴的大小，使得大小分布較寬，難以制得大小均勻的乳狀液，而且能耗較大。

從表1對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可以得出，陶瓷膜乳化法制備的乳狀液與傳統(tǒng)機(jī)械攪拌法相比，均勻性較好、粒徑較小。因此，對(duì)乳液尺寸和均勻性要求較嚴(yán)格的乳化分散領(lǐng)域，可以考慮選擇用膜乳化法。

3.2 乳化劑濃度對(duì)乳狀液液滴平均粒徑的影響

乳化劑的加入，可以顯著降低膜-分散相、分散相-連續(xù)相等相間的界面張力，促進(jìn)了分散相液滴的分散；乳化劑在分散相液滴表面形成保護(hù)膜，已經(jīng)乳化的液滴之間相互排斥，可以有效地阻止因發(fā)生聚集而引起的液滴長(zhǎng)大。因此，加入乳化劑可以提高分散體系的穩(wěn)定性，從而提高乳化效率[7]。

如圖3所示，在4種不同的實(shí)驗(yàn)操作條件下，通過(guò)改變?nèi)榛瘎┖?%與2%來(lái)作對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同一操作條件下，加入2%濃度的乳化劑制備的乳液粒徑比加入1%濃度乳化劑制備的粒徑小，連續(xù)相中的乳化劑濃度較高，能夠較好的吸附在分散相的表面，乳狀液液滴聚集長(zhǎng)大的幾率較少，所以平均粒徑較小，因此，乳化劑的濃度對(duì)液滴的粒徑有一定影響。同時(shí)，乳化劑的濃度不宜過(guò)高，大量剩余的乳化劑反而演變成雜質(zhì)存在于分散體系中。

3.3 磁力攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)乳液液滴平均粒徑的影響

連續(xù)相的流速是影響液滴粒徑尺寸的一個(gè)重要因素，通過(guò)調(diào)節(jié)連續(xù)相速率可以控制乳狀液粒徑大小[8]。不同的連續(xù)相流速產(chǎn)生不同的剪切力，影響分散相脫離膜表面時(shí)的尺寸大小和速度，從而對(duì)乳狀液中分散相的液滴大小和分散相透過(guò)膜的通量都有一定影響。連續(xù)相需要超過(guò)一定的臨界流動(dòng)速度，所產(chǎn)生的膜表面剪切力能克服膜表面分散相液滴的界面張力，而使已透過(guò)膜孔的分散相液滴脫離膜表面，進(jìn)入連續(xù)相。

表1 陶瓷膜乳化法與機(jī)械攪拌法乳化效果對(duì)比Tab.1 Contrast of emulsification effect of both different methods

圖3 乳化劑濃度對(duì)乳狀液平均粒徑的影響Fig.3 Effect of emulsifier concentration on the average particle size of emulsion

圖4所示為磁力攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)所制得的乳狀液平均粒徑的影響。當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速較小時(shí)，產(chǎn)生的剪切力較小，不能及時(shí)將膜表面的分散相帶入連續(xù)相中，分散相液滴在膜表面聚集變大，從而導(dǎo)致乳狀液平均粒徑較大；當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速較大時(shí)，連續(xù)相中的乳化劑不能在分散相液滴表面形成穩(wěn)定保護(hù)膜，造成分散后的分散相液滴發(fā)生二次聚并，導(dǎo)致乳液粒徑變大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為450r/min時(shí)，乳液的平均粒徑較小，約為3μm。

3.4 膜面壓差對(duì)乳液液滴平均粒徑的影響

對(duì)膜乳化法制備的乳狀液而言，雖然膜孔徑是決定乳液粒徑的一個(gè)主要因素[9]，但膜面壓差也是影響乳液粒徑的關(guān)鍵因素之一。在膜乳化過(guò)程中，分散相需要穿過(guò)細(xì)小的陶瓷膜微孔進(jìn)入連續(xù)相介質(zhì)，親水疏油的陶瓷膜膜孔與分散相產(chǎn)生較大的表面張力，膜面壓差所提供的推動(dòng)力需要克服滲透過(guò)程中的各種阻力。

膜乳化過(guò)程中，膜面壓差的大小控制著分散相的流速和通量，當(dāng)膜面壓差較小時(shí)，通量較低，乳化過(guò)程緩慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，液滴容易發(fā)生團(tuán)聚，平均粒徑較大；膜面壓差較大時(shí)，分散相將以噴射形式分散到連續(xù)相中，沒(méi)有充分接觸乳化劑，形成較大尺寸液滴。圖5所示的結(jié)果表明，當(dāng)膜面壓差為0.12MPa時(shí)，制備的乳狀液液滴平均粒徑較小，約為2.5μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想。

4 結(jié)論

圖4 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)乳狀液平均粒徑的影響Fig.4 Effect of stirring speed on the average particle size of emulsion

圖5 膜面壓差對(duì)乳狀液平均粒徑的影響Fig.5 Effect of membrane pressure on the average particle size of emulsion

陶瓷膜乳化法制得乳狀液的平均粒徑小于機(jī)械攪拌方法，液滴尺寸較均勻。工藝操作條件和乳化劑濃度對(duì)膜乳化過(guò)程有一定影響，其中最佳膜面壓差為0.12MPa，最佳磁力攪拌轉(zhuǎn)速為450r/min。同時(shí)，影響膜乳化的因素較多，例如膜材料與膜孔徑的選擇，溫度因素等[10]，有待進(jìn)一步研究。

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