利用高壓微射流裝置獲得納米級乳液

乳液是動力學穩定的多膠體體系,其液滴尺寸從20納米到幾十毫米?具有納米級液滴尺寸的乳液(通常在20-200納米范圍內)通常被稱為納米乳液?納米乳液是兩種不混溶的液體(通常為油,水和表面活性劑)組成,其中一種液體以非常小的液滴形式分散在另一液體中,形成W/0或0/W系統。

本文將介紹通過應用高的剪切速率和控制乳液的組成，在高壓微射流過程中將微液滴破裂至直徑小至30納米，而且可以產生適合商業生產的批量。

微尺度乳劑通常可以在廚房里使用攪拌器、抹刀和攪拌機產生的剪切應力來制作；蛋黃醬是一種常見的食物乳液，油滴滴在水中，由雞蛋蛋白穩定。然而，由于所施加的剪切應力過低，用這些方法通常無法獲得液滴直徑小于100nm的納米級乳液。

我們開發了一個系統的操作步驟，使用高壓微射流裝置，獲得直徑小至30nm的水包油納米乳液。雖然原始納米乳液有一個峰值單峰尺寸分布，由動態光散射確定，我們使用超離心法分離液滴，使其更單分散。一旦分餾，納米乳液是利用小角度中子散射（SANS）研究可變形液滴濃縮分散結構的一個很好的模型系統。我們將濃縮納米乳的結構與均勻硬球的濃縮懸浮液的結構進行了對比，并對其結構上的差異提出了一些簡單但推測性的解釋。

主要實驗設備：

高速剪切機（粗乳制備）

WST高壓微射流均質機（超小納米乳制備）

 實驗步驟與結果：

硅油（聚二甲基硅氧烷或PDMS）首先分散在離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）的水溶液中，使用粗攪拌器產生微尺度液滴。在第一步中，我們創建了一種預混乳液，它具有特定的油粘度、油體積分數和表面活性劑濃度。然后，預混微尺度乳液被用作高壓沖擊射流微射流設備（Microfluidizer）的輸入進料。微射流設備由壓力電機帶動增壓泵增壓驅動，產生脈沖拉伸剪切流，峰值剪切速率˙γ超過108s−1。我們通常在不到一分鐘的時間內處理大約100毫升的體積。由于鋼微流控通道中的流動在空間上是不均勻的，我們將處理過的乳液多次將其送回微射流設備，使所有液滴都經歷峰值剪切區域。乳化液通過該裝置處理的次數為次數N，通過改變壓力，我們可以改變峰值剪切速率和破裂液滴的大小。我們用90度的動態光散射（DLS）將大量稀釋到φ≈10−5的乳狀液的體積加權徑向分布p(a)。從中，我們提取出體積平均半徑。

不同配方下，粒徑與通過次數關系圖

我們研究了峰值剪切速率如何對半稀釋乳液受強拉伸剪切流影響的液滴尺寸的影響。在圖1中，我們展示了從DLS獲得的平均油滴半徑作為通過數N的函數關系，對于微射流設備的一組不同的處理壓力，范圍從8000psi-25000psi。預混合乳液的成分在所有情況下都相同：φ=0.2，C=116mM，和ηd=10cP。通過驅動微射流壓力增加峰值剪切速率，平均液滴半徑系統地減小。此外，隨著N的增加，平均半徑最初減小，但它開始在我們探索的最大N處，飽和到一個常數值。

主要結論：

微流控生產可用于生產半徑約為15納米的水中硅油納米乳劑。由于微流控裝置中的空間不均勻流動，通常需要多次乳液才能使所有液滴經歷最高剪切區域，從而獲得更小液滴的更均勻分布。通過稀釋和離心，可以獨立控制φ和c。此外，超離心尺寸分餾可以有效地制備多分散性接近10%以內的納米乳。經過乳化和分餾后，納米乳可以在不改變液滴尺寸的情況下改變其組成。因此，我們已經證明了用于科學研究的可變形納米尺度液滴的可控模型系統是可能的，而不依賴于膨脹的溶促性膠束相。如果油的分子量足夠大，可以防止液滴尺寸通過油分子從一個液滴到另一個液滴的擴散傳輸，納米級液滴是穩定的、堅固的和壽命長的。可以制造粘度高達1000cP的納米級油液滴，盡管最小的液滴通常是用低粘度較低的油獲得的。因此，納米乳劑代表了亞穩態液滴分散的極限。我們認為，可以通過ji端乳化反應產生半徑小于10nm的穩定液滴，盡管我們不期望達到2nm，對應于表面活性劑膠束的半徑。探索ji端乳化的極限仍然是軟凝聚態物理中一個有趣的前沿。

納米乳在食品領域中的作用：

近年來,人們對食品生物活性成分(如兒茶素?植物留醇?姜黃素?番茄紅素?Ω3脂肪酸和胡蘿卜素)對健康的促進作用有了越來越多的關注,其抗氧化?抗癌和預防慢性疾病的性質已經在許多研宄中得到證明?而這些活性成分在研宄過程中的主要難題是它們溶解性差?生物利用度低?據研宄,納米乳液由于其具有較小的液滴尺寸和較高的動力學穩定性,可以提高大部分的油溶性植物活性成分的溶解度?穩定性和生物活性。