การทำให้สารอิมัลชันคงตัวโดยใช้โพลีอิเล็กโทรไลต์
โพลิอิเล็กโทรไลต์เป็นพอลิเมอร์ ที่มีประจุ ซึ่งสามารถทำให้ คอลลอยด์อิมัลชันคงตัว (หรือทำให้ไม่คงตัว) ผ่านปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต ประสิทธิภาพของโพลิอิเล็กโทรไลต์อาจขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลค่าpH ขั้ว ของตัวทำละลายความเข้มข้นของไอออนและ สมดุลระหว่างส่วนที่ชอบน้ำ และส่วนที่ชอบไขมัน (HLB) อิมัลชัน ที่คงตัวแล้ว มีประโยชน์ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายอย่าง เช่นการแยกตะกอนการนำส่งยา การบำบัดของเสียจากปิโตรเลียม และเทคโนโลยีอาหาร
ประเภทของโพลีอิเล็กโทรไลต์
โพลิอิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยหน่วยซ้ำที่ มีประจุบวกหรือลบ ประจุ ของโพลิอิเล็กโทรไลต์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติต่างๆ ของสารละลาย เช่น ระดับการแตกตัวของหน่วยโมโนเมอร์ คุณสมบัติของตัวทำละลาย ความเข้มข้นของเกลือค่า pHและอุณหภูมิ
พอลิเมอร์จะมีประจุเกิดขึ้นจากการแตกตัวของหมู่ข้างเคียงของโมโนเมอร์หากมีการแตกตัวของหมู่ข้างเคียงของโมโนเมอร์มากขึ้น พอลิเมอร์ก็จะมีประจุสูงขึ้น และประจุของพอลิเมอร์จะเป็นตัวกำหนดประเภทของพอลิอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งอาจเป็นประจุบวก (แคทไอออนิก) หรือประจุลบ (แอนไอออนิก)
ประจุพอลิเมอร์และความแรงไอออนของพอลิอิเล็กโทรไลต์ที่เกี่ยวข้องจะเป็นตัวกำหนดความหนาของชั้นพอลิอิเล็กโทรไลต์ ความหนาของพอลิอิเล็กโทรไลต์จึงส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับ[ 1 ]สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการดูดซับพอลิอิเล็กโทรไลต์ โปรดดูที่นี่
ตัวอย่างบางส่วนของโพลีอิเล็กโทรไลต์สามารถพบได้ในตารางด้านล่าง คุณสมบัติของพอลิเมอร์จะแตกต่างกันไปตามน้ำหนักโมเลกุลและระดับของพอลิเมอไรเซชัน[ 2 ]
| โพลีอิเล็กโทรไลต์และชนิด | ค่า Pk ของหน่วยโมโนเมอร์ (ในน้ำ) | มวลโมลาร์ (กรัม/โมล) [ 3 ] | ระดับของพอลิเมอไรเซชัน[ 3 ] | โครงสร้าง |
|---|---|---|---|---|
| PSS (ประจุลบ) | -0.53 [ 4 ] | 70,000 | 340 | |
| PAA (ประจุลบ) | 4.35 [ 5 ] | 10,000 | 140 | |
| เอพีเอ็มเอ (ประจุบวก) | 5.0 [ 6 ] | 131,000 | 1528 | |
| PEA (ประจุบวก) | 1.2 [ 7 ] | 3600 | 36 | |
| โพลี-แอล-อาร์จินีน (ประจุบวก) | 9.0 [ 8 ] | 15,000-70,000 [ 9 ] | 96-450 [ 9 ] |
ประเภทของอิมัลชัน
อิมัลชันหลักๆ มีสองประเภทคือ อิมัลชันน้ำมันในน้ำ ( สารไม่มีขั้วในสารมีขั้ว ) และอิมัลชันน้ำในน้ำมัน (สารมีขั้วในสารไม่มีขั้ว ) ความแตกต่างขึ้นอยู่กับลักษณะของสารลดแรงตึงผิวหรือโพลีอิเล็กโทรไลต์นั้นๆ ชิ้น ส่วนที่ชอบน้ำจะดึงดูดตัวทำละลายที่มีขั้ว ทำให้เกิดอิมัลชันน้ำในน้ำมัน และชิ้นส่วนที่ไม่ชอบน้ำจะดึงดูดตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว ทำให้เกิดอิมัลชันน้ำมันในน้ำ
ความเสถียรของอิมัลชัน

เมื่อ ความตึงผิวระหว่างอนุภาคโพลีอิเล็กโทรไลต์และอิมัลชันลดลงอิมัลชันจะมีความเสถียรน้อยลง เนื่องจากอนุภาคโพลีอิเล็กโทรไลต์แทรกซึมเข้าไป ใน ฟล็อกในสารแขวนลอย น้อยลงเมื่อ ความตึงผิวลดลง[ 1 ]
โพลิอิเล็กโทรไลต์จะดูดซับที่ส่วนต่อประสานของอิมัลชันและช่วยทำให้เสถียร แต่ก็อาจจะลดหรืออาจจะไม่ลดแรงตึงผิวระหว่างเฟสซึ่งหมายความว่าหยดน้ำมันหรือหยดน้ำมันจะไม่รวมตัวกัน
โดยลำพังแล้ว สารลด แรงตึงผิวที่ไม่ชอบน้ำไม่สามารถทำให้เกิดเสถียรภาพของอิมัลชันได้ แม้ว่าพวกมันจะถูกดึงดูดไปยังน้ำมัน และเกิดอิมัลชันน้ำมันในน้ำขึ้น แต่อิมัลชันจะไม่คงตัวได้นานและในที่สุดก็จะรวมตัวกัน[ 10 ]เมื่อเติมโพลีอิเล็กโทรไลต์เข้าไป จะเกิดแรงไฟฟ้าสถิตระหว่างส่วนต่อประสานของน้ำมันและน้ำ และสารลดแรงตึงผิวจะเริ่มทำหน้าที่เป็น "ตัวยึด" สำหรับโพลีอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดเสถียรภาพของอิมัลชัน นอกจากสารลดแรงตึงผิวแล้ว อนุภาคนาโนยังสามารถช่วยทำให้เกิดเสถียรภาพของอิมัลชันได้โดยการให้ส่วนต่อประสานที่มีประจุสำหรับโพลีอิเล็กโทรไลต์ในการดูดซับ[ 1 ]
ผลกระทบของน้ำหนักโมเลกุล
ความเสถียรของอิมัลชันอาจขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลของโพลีอิเล็กโทรไลต์ที่ผสมอยู่ โพลีอิเล็กโทรไลต์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะมีประสิทธิภาพในการทำให้เกิดความเสถียรมากที่สุด เนื่องจากโพลีอิเล็กโทรไลต์จะสร้างกำแพงกั้นระหว่างน้ำมันกับน้ำอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะช่วยยับยั้งการรวมตัวกันอย่างไรก็ตาม หากโพลีอิเล็กโทรไลต์มีน้ำหนักมากเกินไป มันจะไม่ละลายในสารละลาย แต่จะก่อตัวเป็นก้อนเจลและไม่สามารถทำให้อิมัลชันมีความเสถียรได้[ 11 ]
ผลกระทบของค่า pH
ผลของค่า pHต่อเสถียรภาพของพอลิอิเล็กโทรไลต์นั้นขึ้นอยู่กับหมู่ฟังก์ชันบนโครงสร้าง พอลิเม อร์ที่รับประจุตัวอย่างเช่น หมู่ เอมีน ที่ถูกโปรตอนจะมีเสถียรภาพมากกว่าที่ค่า pH ต่ำ ในขณะที่ หมู่ซัลโฟเนตจะมีเสถียรภาพมากกว่าที่ค่า pH สูง
ผลกระทบของตัวทำละลาย
โพลีอิเล็กโทรไลต์จะละลายได้ดีกว่ามากในตัวทำละลายขั้วเนื่องจากประจุบนโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์และจะกระจายตัวออกไปมากขึ้น ในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว โพลีอิเล็กโทรไลต์จะม้วนตัวและอัดแน่นมากขึ้น และหากโครงสร้างหลักไม่มีขั้ว ประจุจะอยู่ภายในโครงสร้างที่อัดแน่นนั้น[ 12 ]
ความแรงของไอออน

ความแรงของไอออนมีบทบาทสำคัญในความเสถียรในอิมัลชันน้ำในน้ำมัน เช่นเดียวกับอิมัลชันอื่นๆ อีกมากมาย ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวทำละลายต่ำมากจนแรงไฟฟ้าสถิตระหว่างอนุภาคไม่แข็งแรงพอที่จะส่งผลต่อความเสถียรของอิมัลชัน ดังนั้นความเสถียรของอิมัลชันจึงขึ้นอยู่กับความหนาของฟิล์มโพลีอิเล็กโทรไลต์เป็น อย่างมาก [ 13 ]
ความหนาของฟิล์มโพลีอิเล็กโทรไลต์ขึ้นอยู่กับความแรงของไอออน [ 13 ] ชนิดของประจุบนโซ่โพลีอิเล็กโทรไลต์จะผลักกัน ทำให้โซ่ยืดออก เมื่อความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้น ความแรงของไอออนก็จะเพิ่มขึ้น และไอออนจะปกป้องประจุบนโซ่พอลิเมอร์ ทำให้โซ่พอลิเมอร์ก่อตัวเป็นขดแบบสุ่มที่หนาแน่น[ 14 ]
ทฤษฎี
การรักษาเสถียรภาพด้วยไฟฟ้าสถิต
แรงผลักทางไฟฟ้าสถิตมีบทบาทสำคัญในอิมัลชันที่เสถียรด้วยโพลีอิเล็กโทรไลต์[ 1 ] [ 15 ]แม้ว่าจะมีปฏิกิริยาเชิงสเตอริกแต่ก็ถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกัน เมื่อความเข้มข้นของโพลีอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น แรงผลักก็จะเพิ่มขึ้น เมื่อมี โมเลกุล ของโพลีอิเล็กโทรไลต์ มาก ขึ้น ระยะห่างระหว่างอนุภาคแต่ละตัวก็จะลดลง เมื่อระยะห่างลดลงเมื่อค่าลดลง พจน์เลขชี้กำลังก็จะยิ่งมากขึ้น ส่งผลให้พลังงานผลักกันเพิ่มขึ้นด้วย

สมการทั่วไปสำหรับพลังงานการผลักกันโดยสมมติว่าอนุภาคเป็นทรงกลม (สมการที่ 1):
ที่ไหน
- = รัศมีของอนุภาค
- = ความเข้มข้นรวมของไอออน
- = ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์
- = ศักยภาพพื้นผิวที่ลดลง
- = ระยะห่างระหว่างพื้นผิวของอนุภาคทรงกลม
- = อุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิก
- = ความยาวเดบาย
นอกจากนี้ค่า pHและความแรงของไอออนยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตเนื่องจากสิ่งเหล่านี้ส่งผลต่อ "ขนาดของประจุไฟฟ้า" ในสารละลาย[ 17 ]ดังที่เห็นได้จากสมการข้างต้น พลังงานการผลักขึ้นอยู่กับกำลังสองของความยาวเดบายจากสมการสำหรับความยาวเดบายแสดงให้เห็นว่าความแรงของไอออนสามารถส่งผลต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตในสารละลายได้อย่างไร
ความยาวของบียอร์รัม
แน่นอนว่า คำถามเกี่ยวกับระยะทางที่ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต เหล่านี้ มีความสำคัญจึงเกิดขึ้น สามารถอธิบายได้โดยใช้ความยาวบียอร์รัมความยาวบียอร์รัมคือระยะทางที่ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุสองตัวเทียบได้กับพลังงานความร้อนระยะทางคำนวณได้จากสมการที่ 2:
ที่ไหน
- = ประจุพื้นฐาน
- = ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของสุญญากาศ
- = ค่าคงที่ไดอิเล็กต ริก สัมพัทธ์
ความหนาแน่นประจุบนพื้นผิว
ปัจจัยที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถส่งผลต่อประจุบนพื้นผิวของโพลีอิเล็กโทรไลต์ความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิวเหล่านี้ ที่ศักย์ไฟฟ้าพื้นผิวต่ำ สามารถจำลองได้โดยใช้สมการของ Grahame ในรูปแบบที่ง่ายขึ้น (สมการที่ 3):
ที่ไหน
- = ศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิว
ตัวอย่างของพอลิเมอร์และความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิวสามารถพบได้ในตารางด้านล่าง
| โพลิเมอร์ | ความหนาแน่นประจุบนพื้นผิว | โครงสร้าง |
|---|---|---|
| น้ำยาง | −0.06 [ 18 ] | |
| เพคติน | -0.011 [ 17 ] | |
| PAA (0.1% dwb ใน ZrO ) | -0.088 [ 19 ] | |
แอปพลิเคชัน
การแยกตัว
ขึ้นอยู่กับสถานการณ์โพลีอิเล็กโทรไลต์สามารถทำหน้าที่เป็นสารทำให้เกิดการตกตะกอนหรือสารแยกตัวได้จำเป็นต้องใช้โพลีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสารแยกตัวเพื่อทำให้เกิดความเสถียร ของอิมัลชัน เมื่อแรงผลักระหว่างอนุภาคเอาชนะ แรงระหว่าง โมเลกุล ในสารละลายและกลุ่มอนุภาคที่ตกตะกอนอย่างหลวมๆ แยกตัวออกจากกัน การแยกตัวจึงเกิดขึ้น ตรงกันข้ามกับตะกอนที่หลวมและแยกตัวได้ง่ายที่เกิดขึ้นในการตกตะกอน ตะกอนที่เกิดขึ้นในการแยกตัวจะอัดแน่นและยากต่อการกระจายตัวใหม่ แรงผลักในการแยกตัวจะเพิ่มศักย์ซีตาซึ่งจะลดความหนืดของสารแขวนลอยลง เนื่องจากการลดลงของความหนืดนี้ บางครั้งสารแยกตัวจึงถูกเรียกว่า "สารทำให้เจือจาง" สารทำให้เจือจางเหล่านี้มักเป็นด่างและเพิ่มค่า pHของสารแขวนลอยป้องกันการเกิดการตกตะกอนสารแยกตัวถูกใช้เป็นสารทำให้เจือจางในการขึ้นรูปพลาสติก การทำเครื่องแก้ว และการสร้างเซรามิกดินเหนียว[ 20 ]
การบำบัดของเสียจากปิโตรเลียม
โพลีอิเล็กโทรไลต์ยังสามารถทำหน้าที่เป็นสารตกตะกอนโดยแยกของแข็ง (เกล็ด) และของเหลวในกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่นการละลายและการกู้คืนน้ำมัน และโดยทั่วไปจะมีประจุบวก หนาแน่น สูง
การใช้วัสดุอินทรีย์ในการกลั่นปิโตรเลียมแทน การใช้ เหล็กหรืออะลูมิเนียมที่ตกตะกอนจะช่วยลดปริมาณของเสียอนินทรีย์ที่เกิดขึ้นได้อย่างมาก[ 21 ]ของเสียประกอบด้วยอิมัลชันน้ำมันในน้ำที่เสถียร การเติมโพลีอิเล็กโทรไลต์ต่างๆ ลงในของเสียปิโตรเลียมสามารถทำให้เกิดการตกตะกอนของน้ำมัน ซึ่งจะทำให้การกำจัดและการกำจัดทำได้ง่ายขึ้น และไม่ทำให้ความเสถียรของสารละลายลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
การนำส่งยา

อิมัลชันที่เสถียรด้วย โพลีอิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญในสาขานาโนเวชศาสตร์ระบบนำส่งยาใดๆ ก็ตามจะต้องเข้ากันได้ทางชีวภาพและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ จึงจะทำงานได้อย่างเหมาะสม โพลีอิเล็กโทรไลต์ เช่น เดกซ์แทรนซัลเฟต (DSS) โปรตามีน (PRM) หรือโพลี-แอล-อาร์จินีน ล้วนตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้และสามารถใช้เป็นแคปซูลที่มีอิมัลชันอยู่ภายในได้[ 22 ]
ปัจจุบันมีการใช้อิมัลชันน้ำมันในน้ำเป็นตัวทำละลาย ที่ปลอดภัย สำหรับวัคซีน [ 23 ]สิ่งสำคัญคืออิมัลชันเหล่านี้ต้องมีความเสถียร และคงสภาพเช่นนั้นเป็นเวลานาน อิมัลชันที่เสถียร ด้วยโพลีอิเล็กโทรไลต์สามารถใช้เพื่อเพิ่มอายุการเก็บรักษาของวัคซีนได้ นักวิจัยสามารถพัฒนาอิมัลชันโพลีอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเสถียรมากกว่าหกเดือนได้[ 1 ]
นอกจากจะมีความเสถียรในช่วงระยะเวลาที่ยาวนานแล้ว โพลีอิเล็กโทรไลต์ยังอาจมีประโยชน์สำหรับวัคซีนเนื่องจากสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพตัวอย่างเช่นพันธะเอสเทอร์ของโพลีอิเล็กโทรไลต์โพลี( HPMA - DMAE ) สามารถเกิดการไฮโดรไลซิสในร่างกายมนุษย์ได้ และเซลล์ VEROจะห่อหุ้ม DSS และใช้โพลี-L-อาร์จินีนในการย่อยสลาย[ 24 ]เมื่อแคปซูลโพลีอิเล็กโทรไลต์ถูกย่อยสลายแล้ว อิมัลชันที่มีตัวยาจะถูกปล่อยเข้าสู่ร่างกาย นักวิจัยกำลังศึกษาถึงวิธีการส่งยานี้เพื่อกำหนดเป้าหมายเซลล์มะเร็งเม็ดเลือดขาว[ 22 ]
เทคโนโลยีอาหาร
เนื่องจากโพลีอิเล็กโทรไลต์อาจเข้ากันได้ทางชีวภาพจึงสรุปได้ว่าสามารถนำมาใช้เพื่อ ทำให้เกิดความเสถียรของ อิมัลชันในอาหารได้ การศึกษาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่การใช้โพลีอิเล็กโทรไลต์เพื่อกระตุ้นการผสมของโปรตีนและโพลีแซ็กคาไรด์ในอิมัลชันแบบน้ำมันในน้ำ DSS ได้ถูกนำมาใช้เพื่อทำให้เกิดความเสถียรของอิมัลชันประเภทนี้ได้สำเร็จ[ 25 ]การศึกษาอื่นๆ มุ่งเน้นไปที่การทำให้เสถียรของอิมัลชันแบบน้ำมันในน้ำโดยใช้β-แลคโตโกลบูลิน (β-Lg) ซึ่งเป็นโปรตีนทรงกลม และเพคตินซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ประจุลบ ทั้ง β-แลคโตโกลบูลินและเพคตินเป็นส่วนประกอบทั่วไปในอุตสาหกรรมอาหาร β-แลคโตโกลบูลินใช้ในโปรตีนเวย์ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นอิมัลซิไฟเออร์ได้[ 17 ]