Получение прямых эмульсий, стабилизированных наночастицами SiO 2 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_

УДК 544.773

Д. А. Быданов*, К. В. Паламарчук, М. Ю. Королева, Е. В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9

* e-mail: bidanov.dmitry@yandex.ru

ПОЛУЧЕНИЕ ПРЯМЫХ ЭМУЛЬСИЙ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ SiO2

Аннотация

В работе были получены прямые эмульсии, стабилизированные сферическими частицами диоксида кремния, имеющими размер 20 нм. Концентрация наночастиц варьировалась от 0,4 до 1,2 об.%. Размер капель дисперсной фазы находился в диапазоне от 0,5 до 25 мкм, средний диаметр составлял ~ 1 мкм. Было показано, что устойчивость эмульсий возрастала с увеличением концентрации наночастиц SiO2.

Ключевые слова: эмульсии пикеринга, наночастицы, Ludox CL, додецилсульфат натрия, Tween 80.

Для стабилизации прямых эмульсий и наноэмульсий обычно используют различные типы ПАВ с гидрофильно-липофильным балансом от 10 до 16, полимерные соединения [1], а также твёрдые частицы. Образующийся в результате адсорбции слой частиц на поверхности капель дисперсной фазы эмульсии выступает в роли механического барьера, предотвращающего коалесценцию капель. В настоящее время данные эмульсии представляют особый интерес из-за широкого их применения в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности [2]. В первую очередь это обусловлено тем, что эмульсии Пикеринга характеризуются достаточно высокой стабильностью, и для их получения нет необходимости вводить в систему значительные количества поверхностно-активных веществ, оказывающих негативное влияние на организм человека.

В нашей работе было исследовано влияние концентрации наночастиц SiO2 марки Ludox CL на устойчивость эмульсий "масло-в-воде".

Для получения эмульсий были использованы следующие реактивы: углеводородное масло (Britol 20, USP), Ludox CL (30 мас.% суспензия в воде, Aldrich), додецилсульфат натрия (98,5%, Sigma), Tween 80 (95%, Sigma-Aldrich), NaCl (Химмед, ХЧ), бидистиллированная вода.

Концентрация углеводородного масла во всех эмульсиях составляла 25 об.%. В качестве водной фазы использовалась смесь боратного буферного раствора (Na2B4O7 - NaOH) с водным раствором NaCl, додецилсульфатом натрия и Tween 80. pH буферных растворов был равен 9,3, 9,6 и 11,0. Суммарная концентрация ПАВ во всех эмульсиях составляла 0,22 об.%, объёмное соотношение додецилсульфата натрия к Tween 80 было равно 57:43. Концентрация NaCl во всех эмульсиях была равной 1 мас.%. Концентрация наночастиц SiO2 варьировалась от 0,4 до 1,2 об.%.

Используемые в данной работе наночастицы суспензии Ludox CL представляют собой наночастицы оксида кремния, покрытые оболочкой оксида алюминия и диспергированные в водном растворе с pH 4,5. Такие наночастицы имеют

положительный заряд при низких значениях рН, изоэлектрическая точка соответствует рН ~8,5 [3].

Распределение наночастиц БЮ2 по размерам в суспензии Ь^ох СЬ было исследовано с помощью лазерного анализатора размеров частиц Nanotrac. Гистограмма приведена на рисунке 1.

я

к

о ж

я X

н

ч о ч с; я X

г .а

13

О

50 70 100 145 200 290 400 (1, нм

Рис. 1. Распределение наночастиц по размерам

На гистограмме имеется два максимума. Первый максимум соответствует отдельным наночастицам SiO2, размер которых равен 20 нм. Наличие второго максимума обусловлено образованием агрегатов наночастиц.

Стабилизированные диоксидом кремния эмульсии "масло-в-воде" получали следующим образом. К определенному объему суспензии наночастиц БЮ2 ЬЫох СЬ добавляли соответствующий буферный раствор,

додецилсульфат натрия, Tween 80 и водный раствор №0 - рН полученного раствора был равен 9. К данному раствору добавляли углеводородное масло, и перемешивали со скоростью 3000 об/мин в течение 10 мин.

Для изучения влияния концентрации наночастиц SiO2 были получены эмульсии, содержащие 0,4, 0,8 и 1,2 об.% наночастиц. Эмульсия без ЬЫох СЬ была не устойчивой, и после завершения диспергирования практически сразу же расслаивалась. Распределения капель по размерам в эмульсиях, содержащих 0,4, 0,8 и 1,2 об.% наночастиц БЮ2 приведены на рис. 2.

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6

0,30 -1

и (171 .

I •

|одо- ■■

О 0,5 1 5 10 15 20 25 30 35 40 <], мкм

5 10 15 (1, мкм

в

Рис. 2. Распределения капель дисперсной фазы по размерам, в эмульсиях с разной концентрацией наночастиц 8Ю2:

0,4 об.% (а), 0,8 об.% (б), 1,2 об.% (в)

На всех представленных гистограммах имеется один максимум, соответствующий каплям с диаметром 1 мкм. При увеличении концентрации Ludox CL в эмульсиях распределение капель дисперсной фазы по размерам становилось более узким, доля мелких капель возрастала. Наночастицы оксида кремния адсорбировались на поверхности раздела фаз в эмульсиях и препятствовали коалесценции капель в процессе диспергирования. Поэтому с ростом концентрации наночастиц получались эмульсии с более мелкими каплями дисперсной фазы.

Наночастицы оксида кремния влияли на устойчивость эмульсий после окончания диспергирования, при последующем хранении. При низкой концентрации наночастиц SiO2 (0,4 об.%) эмульсии были неустойчивыми, и расслаивались на составляющие фазы приблизительно через час после получения (рис. 3).

С ростом концентрации наночастиц SiO2 стабильность эмульсий увеличивалась. В эмульсиях с 0,8 и 1,2 об.% наночастиц SiO2 процессы дестабилизации протекали медленее, чем в образце с 0,4 об.%. В эмульсии с концентрацией наночастиц БЮ2 0,8 об.% в течение первых 70 часов наблюдалось отслаивание ~40 % водной фазы, а затем расслаивание эмульсий прекращалось. В эмульсии,

содержащей 1,2 об.% наночастиц SiO2, происходило отслаивание ~20 % водной фазы, а затем расслаивание также прекращалось.

0,50

60 80 Время, ч

Рис. 3. Влияние концентрации 8Ю2 на эффективность стабилизации эмульсий

Таким образом, было показано, что эмульсии, стабилизированные смесью ПАВ - додецилсульфат натрия и Tween 80, а также наночастицами SiO2 являются достаточно устойчивыми и могут быть использованы для получения коллоидосом.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания и проекта № 16.962.2014.

б

а

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_

Быданов Дмитрий Александрович аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Паламарчук Константин Витальевич студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Королева Марина Юрьевна д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Юртов Евгений Васильевич член-корр., РАН, зав. кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

8. Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012. - Т. 81. - С. 21-43.

9. Simovic S., Hui H., Song Y., Davey A.K., Rades T., Prestidge C. A. // Journal of Controlled Release. — 2010. — Vol. 143. — P. 367-373.

10. Binks B. P., Rodrigues J. A. Enhanced Stabilization of Emulsions Due to Surfactant-Induced Nanoparticle Flocculation // Langmuir. — 2007. — Vol. 23. — № 14. — P. 77436-7439.

Dmitry A. Bidanov, Constantin V. Palamarchuk, Marina Yu. Koroleva, Evgeny V. Yurtov

Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia. * e-mail: bidanov.dmitry@yandex.ru

OBTAINING O/W EMULSIONS STABILIZED BY SIO2

Abstract

O/W emulsions stabilized by spherical silica nanoparticles with diameter 20 nm were obtained. Nanoparticle concentration varied from 0.4 to 1.2%. The sizes of oil droplets were in range of 0.5-25 цш, the mean diameter was equal to ~1 цш. Emulsion stability was enhanced as the concentration of SiO2 nanoparticles was increased.

Key words: Pickering emulsions, nanoparticles, Ludox CL, sodium dodecyl sulfate, Tween 80.