Факторы, влияющие на устойчивость гетерогенных систем. Закон Стокса

Суспензии не обладают способностью диффундировать, осмотическим давлением, у них не наблюдается самопроизвольное хаотическое движение частиц. Характерная особенность суспензий — их способность к отстаиванию. Поэтому одним из важных требований, которые предъявляются к суспензиям, является их устойчивость.

Устойчивость суспензий зависит, в первую очередь, от свойств содержащихся в них лекарственных веществ, а именно: являются ли эти вещества поверхностно-гидрофильными или гидрофобными. Суспензии гидрофильных веществ более устойчивые, так как гидрофильные частички смачиваются дисперсионной средой и вокруг каждой из них образуется водная (гидратная) оболочка, которая препятствует агрегации мелких частиц в более крупные.

Гидрофобные частицы не защищены такой оболочкой, так как при соприкосновении с водой они не в состоянии образовывать стабилизирующую водную оболочку, а потому легко и самопроизвольно (под действием молекулярных сил) слипаются, образуя агрегаты-хлопья (коагуляция), которые быстро оседают. Если при коагуляции суспензий образуются хлопья, плохо смачиваемые водой, то они всплывают на поверхность воды. Всплывание больших хлопьевидных агрегатов гидрофобного вещества на поверхность воды называется флокуляци-ей (от лат. flocculi — хлопья). Флокуляция усиливается при взбалтывании, так как поверхность гидрофобного вещества плохо смачивается и это способствует фиксации пузырьков воздуха к твердой фазе.

Устойчивость суспензий зависит также от степени дисперсности (измельчения) частиц дисперсной фазы и их электрического заряда, что препятствует укрупнению и коагулированию частиц при их движении. Чем измельченнее вещество, тем устойчивее суспензия, тем точнее ее дозирование, эффективнее действие.

Устойчивость зависит от отношения плотностей диспергированных частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если плотность дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды, то частицы быстро оседают. Если плотность дисперсной фазы меньше плотности дисперсионной среды, то частицы всплывают. Если плотность дисперсной фазы примерно равна плотности дисперсионной среды, тогда суспензия наиболее устойчива.

Различают агрегативную и седиментационную устойчивость суспензий.

Агрегативная устойчивость — это устойчивость против сцепления частиц. При седиментации суспензий могут наблюдаться два различных случая: в одном случае каждая частица оседает отдельно, не соединяясь друг с другом. Оседание при этом происходит более медленно. Такая дисперсная система называется агрегативно устойчивой.

Однако, возможен и такой случай, когда твердые частицы суспензии коагулируют под действием молекулярных сил притяжения и оседают в виде целых хлопьев. Такие системы носят название агрегативно неустойчивых.

Седиментационная устойчивость — это устойчивость против оседания частиц, связанных только с их размером.

Во всякой суспензии твердые вещества будут седиментироваться (оседать) со скоростью, зависящей от степени дисперсности твердых частиц и некоторых других факторов.

Закон Стокса. В общем виде скорость седиментации находит отражение в формуле Стокса. При радиусе частиц дисперсной фазы меньше 0,5 мкм формула Стокса не применима, так как броуновское движение препятствует их осаждению. Для шарообразных частиц диаметром от 0,5 до 100 мкм скорость оседания частиц дисперсной фазы подчиняется формуле Стокса.

Скорость оседания прямо пропорционально зависит от радиуса частиц дисперсной фазы, разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и обратно пропорциональна вязкости дисперсионной среды.

 

V=

 

Где:

V — скорость движения (оседания), см/с;

r — радиус частиц дисперсной фазы;

d₁ — плотность частиц дисперсной фазы, г/см³;

d₂ — плотность дисперсионной среды, г/см³;

— абсолютная вязкость дисперсионной среды, г/см • с;

g — ускорение силы тяжести, см/с².

При применении формулы Стокса нужно иметь в виду, что частицы дисперсной фазы должны быть строго шарообразной формы, абсолютно твердые и гладкие; кроме того, формула Стокса не отражает явлений, происходящих на границе раздела фаз, зависящих от того, являются ли вещества гидрофобными или гидрофильными.

Поскольку устойчивость является величиной по своему значению обратной скорости седиментации, формулу Стокса можно преобразовать и получить:

tf = I =------^9т^,

У 2r².(d,-d,).*

где U — устойчивость суспензии.

Устойчивость суспензии будет тем больше, чем меньше радиус частиц дисперсной фазы, чем ближе значения плотности фазы и среды, чем больше вязкость дисперсионной среды. И поэтому, чтобы повысить устойчивость взвесей, прибегают к следующим приемам:

— к повышению вязкости дисперсионной среды. Это достигается путем введения ПАВ, вязких жидкостей (глицерина, сиропов), гидрофильных коллоидов, крахмала и др.;

— стараются как можно тоньше диспергировать твердые частицы дисперсной фазы. Это достигается путем тщательного измельчения вещества в ступке сначала

в сухом виде, а затем в присутствии небольшого количества жидкости.

При измельчении веществ в сухом виде степень дисперсности находится в пределах до 50 мкм, а если его дополнительно измельчать в присутствии воды, то размер частиц получается в пределах 0,1—5 мкм.

Необходимость прибавления

Рис. 113. Схема расклинивающего

действия жидкости

(«эффект Ребиндера»)

 

жидкости объясняется тем (как это следует из рис. 113), что снижается твердость измельчаемого вещества и, кроме того, смачивающие жидкости проникают в мелкие трещины твердых частиц, которые образуются при растирании вещества и оказывают расклинивающее давление (Р_р), которое действует противоположно стягивающему действию вогнутого мениска, так называемому Лапласовскому давлению (Р). Микротрещины расширяются, и происходит дальнейшее измельчение вещества. Это явление известно под названием «эффекта Ребиндера». Чем выше энергия смачивания, тем сильнее выражен расклинивающий эффект и будет лучше происходить расщепление вещества.

Б. В. Дерягин установил, что максимальный эффект диспергирования в жидкой среде наблюдается при добавлении 0,4 — 0,6 мл жидкости на 1,0 г твердого вещества (40—60 %). В соответствии с этим, в технологии лекарств существует правило Дерягина: для более тонкого измельчения твердого порошкообразного вещества жидкость берут в половинном количестве от его массы.

Гидрофильные вещества легче разрушаются в присутствии воды, чем в присутствии неполярных жидкостей. Для облегчения диспергирования гидрофобных веществ выгоднее использовать спирт или эфир. Стабилизация суспензий. Агрегативную устойчивость суспензии приобретают тогда, когда их частицы покрыты сольватными оболочками, состоящими из молекул дисперсионной среды. Такие оболочки препятствуют укрупнению частиц, являясь для разбавленных суспензий фактором стабилизации.

С целью повышения стойкости взвесей гидрофобных веществ, которые на своей поверхности не образуют защитных гидратных слоев, их следует лиофилизировать, то есть добавлять гидрофильный коллоид (стабилизатор), тем самым сообщая им свойства смачиваемости. В качестве стабилизаторов применяют природные или синтетические высокомолекулярные вещества: камеди, белки, желатозу, растительные слизи, природные полисахаридные комплексы, метилцеллюло-зу, натрий-карбоксиметилцеллюлозу, поливинилпирролидон, поли-глюкин, твины, спены, бентониты и др. (см. главу 16). Все указанные поверхностно-активные вещества, уменьшают запас поверхностной энергии в системе. Наиболее сильно проявляют защитное действие в суспензиях ВМС. Растворы этих веществ не только сами обладают

большой устойчивостью, но и передают это свойство гидрофобным частицам. Стабилизирующее действие этих веществ заключается в образовании гидратных слоев на поверхности частиц суспензии, а также в охвате этих частиц длинными цепочкообразными макромолекулами (рис. 114).

Соотношение между твердой фазой суспензии и защитными ВМС зависит

Рис. 114

Схема стабилизации

суспензий высокомолекулярными

веществами

 

от степени гидро- фобности препарата и гидрофилизирующих свойств защитного вещества и устанавливается экспериментальным путем.

Для определения концентрации ПАВ, необходимого для смачивания гидрофобных веществ, порошок лекарственного препарата измельчают до 40 мкм, высушивают до постоянной массы и помещают в эксикатор над высушенным кальция хлоридом. Затем 0,02 г этого вещества наносят на 1 см² поверхности раствора, содержащего ПАВ различных концентраций в стакане вместимостью 30 мл и диаметром 45 мкм.

Таблица 18

Критическая концентрация

Смачивания лекарственных

Препаратов твином-80

Время погружения порошка в раствор ПАВ фиксируют секундомером. На основании полученных данных строят график зависимости времени погружения порошка от концентрации ПАВ. От точки пересечения касательных вблизи области перегиба восстанавливают перпендикуляр на ось абсцисс. Точка пересечения перпендикуляра с осью абсцисс указывает концентрацию ПАВ, необходимую для смачивания фармацевтических порошков.

По результатам проведенных опытов делают вывод о целесообразной концентрации ПАВ, обеспечивающей гидрофилизацию лекарственного препарата. Это количество должно быть оптимальным. При превышении предела происходит процесс застудневания. При недостаточной добавке ВМС может возникнуть обратное явление — астабилизация, так как частиц ВМС не хватит на то, чтобы покрыть и защитить всю поверхность взвешенных частиц.

В табл. 18 приведена критическая концентрация смачивания твином-80 порошков ряда лекарственных веществ, использующихся в медицине (А. И. Бондаренко, 1992). Следует учитывать, что твины и спены несовместимы с салицилатами, производными параокси-бензойной кислоты, фенолами и т. д.

Частички суспензий могут быть стабилизированы и добавлением электролитов, которые создают в пограничном слое дзета-потенциал определенного знака и величины. Возникновение дзета-потенциала в суспензиях объясняется так же, как и заряжение ядра мицеллы в гидрофобном золе: адсорбция ионов из раствора и диссоциация или гидролиз поверхностного слоя твердой фазы.

Следует иметь в виду, что электролиты стабилизируют суспензии только в определенных концентрациях. Если превышается концентрация электролита, то стабилизирующее действие электролита переходит в коагулирующее.