第三章 无表面活性剂微乳液研究3.1 引言在探索制备农药微乳剂的过程中，为寻找高载药量的微乳液体系，意外发现了两个无表面活性剂微乳液（surfactant-free microemulsion，简称SFME）体系，分别为“呋喃甲醛/DMF/水”和“呋喃甲醛/乙醇/水”，其中呋喃甲醛为油相。微乳液通常由油、水、表面活性剂和助表面活性剂等组分在适当配比下自发形成，可分为水包油（O/W）型、油包水（W/O）型和双连续（BC）型。过去十几年中，关于微乳液的研究有了很大进展1，目前被广泛接受的微乳液的概念是：“微乳液”为两种互不相溶的液体在表面活性剂分子界面膜的作用下自发生成的热力学稳定的、各向同性的、透明的分散体系2。微乳液在的应用非常广泛，如化学反应3，4、纳米材料制备5、药物载体6等。微乳液作为农药新剂型近几年也得到快速发展，表3.1为我国已登记的部分农药微乳剂。表3.1 中国一元微乳农药登记统计一览表Table 2.1 The table of registered mono-pesticide-delivery microemulsion in china 原药浓度原药浓度高效氯氰菊酯4.5%(36),5%(7)吡虫啉2%(2),30%(2)三十烷醇0.1%(9)烯唑醇5%(2)甲氨基阿维菌素苯甲酸盐0.5%(5),0.2%(1)三唑磷15%(2)氯氰菊酯5%(4),10%(2)阿维菌素0.5%(1),18%(1)淀虫脒3%(3)咪唑乙烟酸5%(2)乙草胺50%(3)戊唑醇6%, 12.5%己唑醇5%(3)高效氯氰菊酯2.5%(1)毒死蜱25%(1),30%(2)壬菊酮30%(1)杀蝉20%(1)氰戊菊酯10%(1)s-氯氰菊酯5%(1)枯恶唑禾草灵7.5%(1)咪鲜胺45%(1)氟硫胺草醚12.8%(1)顺式氯氰菊酯2.5%(1)甲氰菊酯10%(1)萘乙酸2.5%(1)丁草胺50%(1)松脂酸钠30%(1)氟硅唑8%(1)三唑磷8%(1)注：4.5%(36)表示4.5%的微乳农药登记有36家，其它以此类推无表面活性剂的乳状液（surfactant-free emulsion，简称SFE）已有报道。通常，乳状液是由油、水和表面活性剂（乳化剂）组成，而Abe等7-15使用超声发生器合成了系列只有油和水而无表面活性剂的乳状液体系，发现可稳定存在较长时间。Beattie16、Pashley17.18和Eastoe19也对此进行了系统研究。Stamatis等20曾报道了由1-丙醇二酸、正己烷、酶和水组成的W/O型无表面活性剂类微乳液体系（surfactant-free microemulsion-like system），但没有进行深入研究。因此，作者认为SFME的发现还属首次。本章对所发现的两个SFME体系的相形为、类型和影响因素进行了研究。3.2 试验部分3.2.1 主要实验仪器及设备(1) AL204型电子分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；(2) 501型超级恒温槽，上海第二五金厂；(3) pHS-25型精密pH计，上海雷磁仪器厂；(4) JEM-100CXII型透射电子显微镜TEM，日本日立公司；(5) JS-94H型电视显微电泳仪，上海中晨数字技术设备有限公司；(6) Nicolet USA 5DX FT-IR傅立叶变换红外吸收光谱仪，； (7) 1HNMR Japan JEOL FX90-Q，CDCl3为溶剂；(8) DDSJ-308A型电导率仪，上海精密仪器有限公司；(9) BI-9000AT / BI-200SM型动态光散射仪， 美国Brookhaven公司。(10) Balzers BAF-400D冷冻蚀刻，列支敦士登Balzers AG公司；(11) 离心沉淀机LXJ-II，上海医用分析仪器厂；3.2.2 实验原料及试剂(1) 呋喃甲醛（furaldehyde），分析纯，天津市化学试剂三厂；(2) 乙醇（ethanol），分析纯，天津市化学试剂三厂；(3) DMF，分析纯，天津市化学试剂三厂；(4) 三次水，自制；(5) 阿维菌素，山东省农药研究院提供3.2.3 微乳液的制备呋喃甲醛在贮存颜色会变为褐色。使用时，为了排除其中杂质的影响，使用减压蒸馏法对其蒸馏三次，制得的纯的呋喃甲醛几乎无色。在配置过程中，颜色只有轻微的变化。配置不同配比的呋喃甲醛和水的体系，呋喃甲醛与水的体积比（RF/W）分别为0.5：9.5；1：99.5：0.5，避光下放置在250.2的恒温槽中，在搅拌下逐渐加入DMF或者乙醇，当体系变澄清时记录加入的DMF或者乙醇的量。研究证明，澄清液即为微乳液。重复此步骤三次，取平均值。依据所得结果绘制体系的三元相图。3.2.4 微乳液的表征依据三元相图，微乳液区选取不同组成的体系，测定其电导率；根据电导率测定结果确定微乳液类型或微乳液亚区。测定微乳液的zeta电位，观察粒子的带电状况。用激光光散射仪测定微乳液的粒度分布。用冷冻蚀刻电镜(FF-TEM) 观察液滴形貌。3.4 实验结果及讨论3.4.1 DMF和乙醇的表面活性众所周知，表面活性剂具有双亲结构，即亲水基和亲油基，通常亲油基为碳氢长链。DMF和乙醇不具备传统表面活性剂的结构，不被认为是表面活性剂。但DMF和乙醇也应有一定的表面活性，图3.4和图3.5是DMF和乙醇分别对呋喃甲醛和水表面张力的影响，可见均可降低表面张力，但降低幅度很小。DMF在呋喃甲醛中的浓度为0.5 moldm-3时，对表面张力的降低幅度约为4.6%，即使是浓度达到了1 moldm-3时，降低的幅度也只是6.4%；乙醇在呋喃甲醛中的浓度为1 moldm-3时，对表面张力的降低幅度仅为7%左右，即使是浓度高达10 moldm-3时，降低的幅度也只是40%左右；DMF对水的表面张力最大降低幅度为30左右；乙醇在水中的浓度(c, moldm-3)与水表面张力(, mN/m)的关系为=72-0.5c+0.2c2由此式可知浓度为1 moldm-3时，对表面张力的降低幅度仅为0.41%。因此，无论从分子结构还是表面活性看，DMF和乙醇都不属传统的表面活性剂范畴。但DMF和乙醇是双溶溶剂，即可与水和油（呋喃甲醛）均能混溶的溶剂。DMF乙醇图3.4 DMF 和乙醇对呋喃甲醛表面张力的作用Figure 3.4 Curve of the surface tension of furaldehyde vs concentration of DMF(left) and ethanol(right)图3.5 DMF对水的表面张力的作用Figure 3.5 Curve of the surface tension of water vs concentration of DMF3.4.2 相形为研究相图是研究相形为的重要手段，由于所发现的SFME体系为三组分体系，故采用三元相图研究其相形为。图3.6和3.7分别为呋喃甲醛-DMF-水和呋喃甲醛-乙醇-水体系在室温下的三元相图，可见两个相图非常一致，均存在一个单相（Single-Phase）区和一个两相共存区或双相（Two-phase）区。后研究证明，单相区主要为微乳液区；双相区是微乳液与过剩的油或水平衡共存区。在呋喃甲醛/DMF/水体系中，在DMF角上存在一个三相互溶的区域，即溶液区，这点与呋喃甲醛/乙醇/水体系略有不同。三相互溶区是用电导率确定的，将在下节详细讨论。图3.6 呋喃甲醛/DMF/水体系在室温下的三元相图。Single-phase为单相的微乳液区域，Two-phase是两相共存的区域，Solution是三相互溶的一个溶液区域。直线a， b和c分别表示RD/F=1.25：1， 3:1和30：1，选取来进行下一步的电导率测试。I，II和III三个区域分别代表微乳液的三个不同类型：油包水、双连续和水包油。三个区域中各取一点，取样进行冷冻蚀刻透射电镜观察。Figure3.6 Phase diagram of furaldehyde/DMF/water ternary system at 25 . Line a， b and c， of which the RE/F=1.25， 3 and 30 respectively， are chosen for the conductivity examinations and sample A， B and C are the samples chosen for the FF-TEM study. I-III are water-in-furaldehyde， bicontinuous， and furaldehyde-in-water regions， respectively.图3.7 呋喃甲醛/乙醇/水体系在室温下的三元相图。Single-phase为单相的微乳液区域，Two-phase是两相共存的区域。直线a， b和c分别表示RD/F=1.8：1， 3:1和30：1，选取来进行下一步的电导率测试。I，II和III三个区域分别代表微乳液的三个不同类型：油包水、双连续和水包油。三个区域中各取一点，取样进行冷冻蚀刻透射电镜观察。Figure 3.7 Phase diagram of furaldehyde/ ethanol / water ternary system at 25 . Line a， b and c， of which the RE/F=1.8，3 and 30 respectively， are chosen for the conductivity examinations and sample A， B and C are the samples chosen for the FF-TEM study. I-III are water-in-furaldehyde， bicontinuous， and furaldehyde-in-water regions， respectively.3.4.3 电导法确定SFME类型微乳液有O/W、W/O和BC三种类型。确定微乳液类型方法很多，如电导法21、分散系数法22、循环伏安法23，24等，其中电导法应用最为普遍，且适用性广，如由离子液形成的微乳液使用电导法就可很好的区分其类型25,26。电导行为是微乳液的重要性质之一。对于传统的微乳液而言，随着水含量的增加，电导率的变化可以分为四个阶段并且有一个临界阈值fc27-30。一开始，水含量较低时，微乳液是由油和分散在油相中的小水滴组成的。电荷传递是通过相邻液滴上电荷的跳跃或者是做布朗运动的液滴自身扩散而实现的。当微乳液中水含量小于fc时，电导率（k）呈现缓慢的非线性的升高，这是W/O微乳液的电导渗透现象引起的。由于此时体系中带电的小液滴彼此之间是独立分散在不导电的油相介质中，对体系的电导率贡献很小。第二个阶段，当水含量大于fc时，电导率继续升高，且呈线性，如今一致认为这是由于W/O液滴浓度增大，液滴由于相互吸引发生频繁的粘性碰撞，导致在连续的油相中形成许多狭窄而细小的水通道，于是电荷就可以在这个狭长的水通道中快速传递，造成体系电导率迅速增大。第三个阶段，电导率继续升高但是不再呈现线性变化，增加的速率变缓，电导率曲线偏离原来的直线上升至一个