羥丙基甲基纖維素在不同界面的表面活性*

葉君 黎青勇 熊犍

(1.華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640;2.華南理工大學(xué) 輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640;3.四川大學(xué) 高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

羥丙基甲基纖維素(HPMC)是一種非離子型的纖維素醚大分子.由于它無(wú)毒和擁有良好的機(jī)械性能，在食品和醫(yī)藥行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1］.在食品行業(yè)，它被用作乳化劑、凝膠劑、穩(wěn)定劑、分散劑、增厚劑和成膜劑等.在醫(yī)藥行業(yè)，它被用作藥物緩釋劑［2-3］.近年來(lái)，HPMC 被改性為pH 敏感的高分子化合物，如醋酸羥丙基甲基纖維素順丁烯二酸酯和羥丙甲纖維素偏苯三酸酯，兩者的pH 敏感值范圍分別為3.0 左右和3.5～4.5，可應(yīng)用于十二指腸定位釋藥系統(tǒng)中［4-5］.

HPMC 因其主鏈上帶有疏水性的甲基以及親水性的羥丙基基團(tuán)而具有表面活性，因此能被吸附在液體的表面，從而降低液體的表面張力［6-7］.高分子的表面活性依賴于分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、取代度、大小和柔性，以及疏水與親水兩種基團(tuán)的構(gòu)造和組成比等［8］.作為大分子，HPMC 的表面吸附行為不同于低分子表面活性劑，因?yàn)楦叻肿渔湺我蕾嚂r(shí)間吸附在液體表面并最終達(dá)到平衡狀態(tài)，在表面張力降低過(guò)程中會(huì)涉及到HPMC 溶液表面單位面積鏈段的增加.同時(shí)，大分子吸附在液體表面時(shí)鏈段呈現(xiàn)出列狀、環(huán)狀以及尾狀.列狀是大分子鏈段上親脂性鏈段擴(kuò)散至表面而形成的，而環(huán)狀和尾狀則是由大分子中親水性鏈段進(jìn)入本體溶液形成的［9-11］.

HPMC 的表面活性涉及許多相關(guān)的工業(yè)過(guò)程，如食品和醫(yī)藥試劑的分散、乳化和潤(rùn)濕等過(guò)程［12］.而在溶液體系中，表面活性物質(zhì)的界面性質(zhì)對(duì)分散、乳化等作用有重大的影響［13-14］，如HPMC 作為藥物載體廣泛地應(yīng)用于藥物緩釋劑中，其在水中的潤(rùn)濕、凝膠和溶解過(guò)程，以及水合作用的擴(kuò)散性直接影響到藥物的潤(rùn)濕、溶解和傳遞［15-16］.因此，研究HPMC的表面活性不僅具有理論價(jià)值，而且對(duì)其實(shí)際應(yīng)用也具有指導(dǎo)意義.文中探討了不同pH 值下不同濃度的HPMC 溶液在氣-液、油-水和固-液界面的性質(zhì).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

HPMC(醫(yī)藥級(jí))，總?cè)〈葹?.92，摩爾取代度為0.14，甲氧基含量為28.6%，羥丙基含量為8.2%，湖州展望藥業(yè)有限公司出品;磷酸氫二鈉和檸檬酸均為分析純，廣州化學(xué)劑廠出品;市售魯花花生油，山東魯花集團(tuán)有限公司出品.

DCAT-21 型界面表面張力儀，北京東方徳菲儀器有限公司出品;pHs-25 型自動(dòng)電位滴定計(jì)，上海康儀儀器有限公司出品.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 HPMC 溶液的配制

配制pH 值分別為3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00 的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液.再用相應(yīng)的緩沖溶液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的HPMC 溶液.在4℃下平衡24 h備用［17-18］.

1.2.2 動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)定

在DCAT-21 型界面表面張力儀的兩根管(儀器附帶的管)的底部放上濾紙，再裝上相同質(zhì)量的HPMC 粉末，輕微震動(dòng)至其高度沒有明顯變化為止，并保證兩根管高度均為4 cm，以達(dá)到粉末致密度基本一樣的目的.先用其中的一根管測(cè)量HPMC 在正己烷表面的接觸角，采用WASHBURN 法(式(1))計(jì)算出毛細(xì)管常數(shù)C.再用另外一根管在水溶液中測(cè)量HPMC 在水表面的接觸角，并輸入C 值，通過(guò)軟件SCAT32 算出接觸角(CA 值).

式中:θ 為測(cè)試液體與粉末的接觸角，(°);m 為測(cè)試液體上升潤(rùn)濕的液體質(zhì)量，g;η 為測(cè)試液體黏度，mPa·s;t 為潤(rùn)濕時(shí)間，s;ρ 為潤(rùn)濕液體密度，g/cm3;γ 為測(cè)試液體表面張力，mN/m;C 為毛細(xì)管常數(shù).

1.2.3 氣-液界面的表面張力測(cè)量

采用DCAT-21 型界面表面張力儀，選擇鉑金片法，設(shè)置浸入深度為3 mm，取樣頻率為5 Hz，并且設(shè)置“如果連續(xù)時(shí)間內(nèi)兩次記錄的表面張力的差值低于0.03 mN/m 時(shí)就停止測(cè)量”，取最后的50 個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值.溫度保持在(30 ±0.5)℃，每個(gè)樣測(cè)量?jī)纱?，結(jié)果取平均值，一般兩者相差±0.5 mN/m.

1.2.4 油-水界面的表面張力測(cè)量

先進(jìn)行花生油的表面張力測(cè)量，再在另一個(gè)玻璃器皿中進(jìn)行HPMC 溶液表面張力的測(cè)量，之后，在HPMC 溶液表面注射花生油至鉑金片淹沒，進(jìn)行油-水界面的表面張力測(cè)量.每個(gè)樣測(cè)量?jī)纱危∑骄?，兩者差值一般為?.5 mN/m.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH 值對(duì)HPMC 粉末在液體中接觸角的影響

由表1 可以看出，HPMC 粉末接觸角都小于90°，但接近90°.因此，HPMC 粉末在水表面可被潤(rùn)濕，但是潤(rùn)濕性不強(qiáng).在不同pH 值下，HPMC 粉末與水表面的接觸角稍有變化，尤其在pH =4.00 時(shí)獲得最低的接觸角，為86.380°.

表1 HPMC 粉末在水表面的動(dòng)態(tài)接觸角Table 1 Dynamic contact angle of HPMC powders in water

圖1 為HPMC 在不同pH 值下在水表面的吸附速率和平衡吸附量.由于放在底部的濾紙吸收水分，因此HPMC 粉末吸水時(shí)間定義為1 s 之后，從圖1(a)、(b)看出，HPMC 粉末在不同pH 值下在水表面的吸附過(guò)程均很快，但平衡吸附量并不大，呈現(xiàn)出疏水特征.這與文獻(xiàn)［18］的報(bào)道相同.由圖1(b)可以看出:pH 值較小(3.00，4.00)時(shí)，其吸附速率也較小;pH=4.00 時(shí)，HPMC 粉末在水表面的潤(rùn)濕作用相對(duì)更明顯;pH=3.00 時(shí)，雖然HPMC 粉末在水表面的質(zhì)量增加過(guò)程比較長(zhǎng)，但是增加量不大;pH≥5.00時(shí)，HPMC 粉末在水表面的吸附速率較快，但吸附量變化不大.

固體潤(rùn)濕性由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定［19］.HPMC 分子鏈上同時(shí)存在疏水性的甲基和親水性的羥丙基，且每個(gè)結(jié)構(gòu)單元上的取代基以及組成都不完全相同.在不同pH 值下，粉末表面的HPMC 分子鏈構(gòu)象會(huì)發(fā)生變化，如圖2 所示，一些疏水性的甲基會(huì)移動(dòng)并隱藏在粉末表面下層，與此同時(shí)，一些親水性的羥丙基會(huì)暴露在粉末表面，使粉末表面疏水性基團(tuán)與親水性基團(tuán)之間的比例發(fā)生變化，而這種構(gòu)象之間的變換，會(huì)對(duì)HPMC 粉末在不同pH 值液體中的潤(rùn)濕性造成影響.但文中實(shí)驗(yàn)所用的HPMC 的總?cè)〈葹?.92，摩爾取代度為0.14，羥丙基的取代度較低，這意味著在文中實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，如圖2 所示的分子鏈的兩種構(gòu)象間的變化所引起的效果較小.故文中pH 值對(duì)HPMC 的CA 值的影響并不大.

圖1 HPMC 粉末在水中質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.1 Change of mass of HPMC powder in water with time

圖2 粉末表面HPMC 分子鏈構(gòu)象的變化Fig.2 Change of HPMC conformation on powder surface

2.2 pH 值對(duì)不同濃度HPMC 溶液氣-液界面表面張力的影響

從圖3 可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的HPMC 溶液，其氣-液界面的表面張力隨著pH 值增大而略有上升;對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的HPMC 溶液以及圖3 中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.7%和1.0%的HPMC 溶液，氣-液界面的表面張力隨pH值變化趨勢(shì)相似，呈“V”形，其最低值隨濃度增大分別處在pH =4.00、pH =5.00、pH =5.00 和pH =6.00 處，即隨著濃度的增大，表面張力最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的pH 值也增大，這說(shuō)明此時(shí)HPMC 溶液表面的分子鏈構(gòu)象處于復(fù)雜狀態(tài).

圖3 HPMC 溶液氣-液界面的表面張力隨pH 值的變化Fig.3 Effect of pH value on HPMC air-water surface tension

pH 值的變化會(huì)影響分子鏈的構(gòu)象，對(duì)HPMC而言，在酸性條件下，較多的H+會(huì)與HPMC 分子鏈上的—OH 中的O 原子作用，使分子鏈帶電荷，造成分子鏈趨于伸展，此時(shí)，HPMC 在溶液表面的吸附如圖4(a)所示，吸附在表面的主要為HPMC 分子中憎水的甲基，由于鏈段的伸展，憎水基團(tuán)在溶液表面形成的“列狀”排列較長(zhǎng)，故而表面張力下降;隨著溶液的pH 值增大，溶液中的OH-離子增加，吸附在HPMC分子鏈周圍的H+會(huì)被中和，從而使得HPMC 分子鏈卷曲，此時(shí)HPMC 在溶液表面的吸附如圖4(b)所示，由于“列狀”排列減少，溶液的表面張力也隨著pH 值的增加而增大.

圖4 水溶液界面的HPMC 分子鏈構(gòu)象示意圖Fig.4 Schematic diagram of HPMC molecular conformations on aqueous surface

溶液中大分子鏈的構(gòu)象對(duì)大分子界面有著重要的影響，但大分子鏈在溶液中有很多構(gòu)象形式，要詳細(xì)地分析這些構(gòu)象是非常困難的.對(duì)大分子界面性質(zhì)的影響來(lái)自于平均構(gòu)象或出現(xiàn)幾率最大的構(gòu)象，而不僅是pH 值，鏈的性質(zhì)，如取代度、取代發(fā)布、鏈與鏈間的相互作用等都會(huì)影響到HPMC 分子鏈的構(gòu)象，這就造成了表面張力最低點(diǎn)出現(xiàn)如圖3 所示的復(fù)雜情況.

由圖3 還可以看出，當(dāng)pH≥6.00 時(shí)，溶液的表面張力隨著溶液濃度的增加而降低.在接近中性條件下，氣-液界面的表面張力隨著濃度增大的變化可由Gibbs 等溫吸附方程(2)描述［20］:

式中:Г 為表面過(guò)剩吸附量，R 為氣體常數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度，γ 為表面張力，c 為溶液濃度，n 為與溶質(zhì)離解度有關(guān)的常數(shù).

實(shí)驗(yàn)中在pH≥6.00 的條件下利用式(2)計(jì)算不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HPMC 在氣-液界面的Г，結(jié)果如表2所示.從表2 可以看出，pH =7 時(shí)，HPMC 分子在氣-液界面上的Г 隨著HPMC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低;但在pH=6，8 時(shí)，HPMC 分子在氣-液界面上的Г 隨著HPMC 濃度的增加并沒有出現(xiàn)單調(diào)性變化，這進(jìn)一步說(shuō)明不僅pH 值會(huì)影響到HPMC 的構(gòu)象，溶液的濃度、鏈的性質(zhì)，如取代度、取代發(fā)布、鏈與鏈間的相互作用等都會(huì)影響到分子鏈的構(gòu)象，從而使HPMC 在氣-液界面的吸附也呈現(xiàn)復(fù)雜性.

表2 不同pH 值下不同濃度的HPMC 在氣-液界面的過(guò)剩吸附量ГTable 2 Г values of HPMC with different concentrations on airwater interface at different pH values

2.3 pH 值對(duì)不同濃度HPMC 溶液油-水界面表面張力的影響

圖5 顯示，HPMC 溶液油-水界面的表面張力不僅與pH 值有關(guān)，還與其濃度有關(guān).在HPMC 溶液中，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，在pH =6.00 之前，其油-水界面的表面張力隨pH 值的增加而出現(xiàn)小幅度上下波動(dòng)，隨后持續(xù)下降;HPMC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大(0.3%～0.7%)，其油-水界面的表面張力基本上隨著pH 值的增大而變小，且在pH=5.00～6.00 的區(qū)域下降趨勢(shì)變緩，隨后繼續(xù)下降;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到1.0%時(shí)，油-水界面的表面張力隨著pH 值的增加先略增大然后減小.

圖5 HPMC 溶液油-水界面的表面張力隨pH 值的變化Fig.5 Effect of pH value on HPMC oil-water surface tension

油對(duì)疏水基團(tuán)具有更好的溶解性，進(jìn)入表面層的HPMC 中的疏水性基團(tuán)(如甲基)更多地在表面層上與油中的甘油酸酯、游離脂肪酸和磷脂等物質(zhì)作用，親水性的羥丙基則有規(guī)則地排列在水相中，因此在油-液界面上HPMC 能更有序地排列，從而使其表面張力下降.隨著pH 值的增加，雖然HPMC 的分子鏈趨于卷曲，但油對(duì)其疏水鏈的溶解作用使得更多的HPMC 分子鏈擴(kuò)散到油- 水界面，使得HPMC 分子更致密地排列在油-水界面，從而是使pH 值大于6.00 之后油-水界面的表面張力迅速下降.在HPMC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)居于0.3%～0.7%時(shí)，這種作用表現(xiàn)得尤為突出.

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小(如0.1%)時(shí)，HPMC 分子鏈間的作用力小，分子鏈的構(gòu)象變化更豐富，但畢竟?jié)舛鹊停绊懹邢?，因此在pH≤6.00 時(shí)油-水界面的表面張力呈現(xiàn)不大的上下波動(dòng).當(dāng)HPMC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到1.0%時(shí)，在pH 值小于5.00 的情況下，由于濃度增大，且此時(shí)HPMC 分子鏈較伸展，其遷移速度受阻，與占據(jù)表面油中的甘油酸酯、游離脂肪酸和磷脂等物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)有限，遷移至油-水界面的甲基或者羥丙基數(shù)量較少，造成油-水界面的表面張力增加，在pH 值大于6.00 之后，由于HPMC 鏈趨于更加卷曲，其向界面的遷移速度加快，排列在油-水界面的HPMC 分子增加，導(dǎo)致表面張力下降.

3 結(jié)論

在文中實(shí)驗(yàn)條件下，HPMC 粉末的潤(rùn)濕性不強(qiáng)，且受pH 值影響較小.氣-液界面和油-水界面均具有不同性質(zhì)的復(fù)雜的物理化學(xué)系統(tǒng)，在兩界面上HPMC 分子可以擴(kuò)散、吸附或重排，其表面性質(zhì)取決于HPMC 在界面上的構(gòu)象.文中研究表明HPMC 的界面性能很大程度上受疏水基團(tuán)性質(zhì)及其數(shù)量的影響，無(wú)論在氣-液界面還是在油-水界面，不同濃度的HPMC 溶液表面張力隨pH 值變化都展現(xiàn)出不一樣的變化趨勢(shì)，HPMC 在界面上表現(xiàn)出復(fù)雜的構(gòu)象.由于油比水有更多的表面活性成分，HPMC 表面性質(zhì)更依賴于其表面濃度，使得HPMC 分子更有效地與油中的表面活性成分競(jìng)爭(zhēng).

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