第一节　表面活性剂的概念

一、表面现象

1.界面、表面和界面现象、表面现象的含义

界面是指物质的相与相之间的交界面。相（phase）是指体系中物理和化学性质均匀的部分。相与相之间有明显的界面。物质有气、液、固三态，所以能够形成气-液、气-固、液-液、液-固等界面。通常将有气相组成的气-固、气-液等界面称为表面。

界面现象（表面现象）是指物质在相与相之间的界面（表面）所产生的物理化学现象。

药物制剂的研究和生产实践中广泛存在着界面或表面现象。例如乳剂、混悬剂、气雾剂制备过程中发生的粒子大小、表面能大小、吸附性能、带电情况、稳定时间等均为界面或表面现象问题。在药物合成、多相催化、药物的提取和精制、发酵等过程中也经常出现过冷、过热、吸附、解吸附、发泡、消泡、胶体形成与破坏等各种界面或表面现象。薄膜制剂、微孔骨架缓释制剂、静脉注射混悬剂、固体分散制剂等剂型制备过程中也会出现界面或表面现象。皮肤用药的透皮吸收、难溶性药物的胃肠道释放和吸收等也与界面或表面现象有着密切的关系。

2.表面张力和界面张力

表面张力是指一种使表面分子具有向内运动的趋势，并使表面自动收缩至最小面积的力。这就是在外力影响不大或没有时，液体趋于球形的原因。表面张力的产生，从简单分子引力观点来看，是由于液体内部分子与液体表面层分子（厚度约10-7cm）的处境不同。液体内部分子所受到的周围相邻分子的作用力是对称的，互相抵消；而液体表面层分子所受到的周围相邻分子的作用力是不对称的，其受到垂直于表面向内的吸引力更大，这个力即为表面张力。可以用一个三边金属丝框套着一根活动金属杆的装置（如图2-1所示）来观察表面张力现象。

当金属丝框ABCD上加1滴肥皂液后，在框ABCD面上就形成一层皂膜。在活动的长度为L的AD边上加一拉力f（砝码），皂膜表面拉长ΔS距离；去掉砝码后皂膜收缩回到原位，这说明皂膜存在一个可使表面缩小的张力。外加拉力f大到刚好使皂膜破裂时的力（fb），即单位长度上对抗增大表面所需要的力，则是该液体的表面张力（σ）。由于皂膜有上下两个表面，故其总长度为2L，表面张力即可表示为：

σ=fb/（2L）　　（2-1）

液体的表面张力是在空气中测得的，而界面张力则是两种不相混溶的液体（如水和油）之间的张力。两种互溶的液体之间没有界面张力，液体之间相互作用的倾向越大则界面张力越小。

3.表面自由能

增大液体的表面积实际上是将液体内部分子拉到表面的过程。出于表面分子有向内运动的趋势，因此必须克服分子间的吸引力，把分子拉开，才能将内部分子转移到表面而增大表面积，这个过程中外界所消耗的功则转化为表面层分子的位能，这种能量称为表面能或表面自由能。

当活动杆在BC位置时，加一力f使表面增大ΔS距离，则所做的功W为：

W=fΔS=2LσΔS　　（2-2）

因为2LΔS等于皂膜拉长而增加的表面积ΔA，所以：

W=σΔA　　（2-3）

式中　W——所做的功，或称增加的表面自由能；

σ——表面张力；

ΔA——增加的表面积。

表面积越大，表面张力越大，表面自由能也越大，分散体系则越不稳定。可通过降低表面张力、减少表面积的方法，达到减少表面自由能，提高分散体系稳定性的目的。

4.液体的铺展

铺展是指一滴液体能在另一种不相溶的液体表面上自动形成一层薄膜的现象。如一滴油落在水面上究竟是形成球状还是薄膜状就属于铺展问题，这由该液体铺展系数的大小决定。

铺展系数与界面张力有如下的关系：

S=σ底-（σ铺+σ底·铺）　　（2-4）

式中　S——铺展系数；

σ底——底层液体的表面张力；

σ铺——铺展液体的表面张力；

σ底·铺——两液间的界面张力。

若σ底>（σ铺+σ底·铺），S为正值，则发生铺展现象；若σ底<（σ铺+σ底·铺），S为负值，则不发生铺展现象。

式中表示的只是两种液体刚开始接触时的情况，S称为“初铺展系数”。当它们接触后，则逐渐相互溶解直至饱和，此时的铺展系数可能变成负值，原已铺展的液体可能会凝结成小球或呈凸透镜状。此时求得的铺展系数则称为“终铺展系数”。例如将苯滴到水面上时，会立即铺展，但随后因相互溶解至饱和而又很快缩成圆球状。

通常表面张力小的液体可以在表面张力大的液体表面上铺展，反之则不能铺展。可以通过加入表面活性剂等方法降低σ底·铺以改善液体的铺展性能。

铺展系数在药物制剂中有重要的意义，例如以矿物油为基质的制剂一般难以在皮肤、黏膜上均匀铺展；如果用纯凡士林作为眼膏剂的基质，则在眼结膜上难以均匀涂布，不易发挥药效，但当加入适量表面活性剂后即可改善其铺展性，使之能均匀涂布，提高疗效。

5.固体的润湿

润湿（wetting）是指液体在固体表面上的黏附现象。润湿过程和界面张力有关。一滴液体落在固体表面上，达到平衡时，可能出现以下几种现象，如图2-2所示。

以O表示固、液、气三相的会合点，从O点出发沿着三个不同界面（表面）的切线方向存在着三个互相平衡的界面（表面）张力，即σ固·气、σ固·液、σ液·气，它们三者之间的平衡关系可用Young公式表示：

cosθ=（σ固·气-σ固·液）/σ液·气　　（2-5）

式中，θ为接触角，是指O点液面的切线与固液界面之间的夹角。

通过接触角的大小可以预测固体的润湿情况。

当θ=180°时，液体在固体表面呈球体，完全不润湿。

当90°<θ<180°时，液滴在固体表面上呈滚珠状，不能润湿。

当0°<θ<90°时，液滴在固体表面呈凸透镜状，能润湿。

当θ=0°时，液滴在固体表面上铺展成薄膜，称为完全润湿。

固体表面能否被润湿与其结构性质有关。一般亲水性药物容易被水润湿，疏水性药物不能被水润湿。加入表面活性剂可降低固液的界面张力，改善疏水性药物的润湿性。

润湿在药剂中有着较广泛的应用。片剂的崩解剂与水要有良好的润湿性，以利于体液渗入药片内，使药片口服后能迅速崩解；安瓿内壁涂上一层不具有润湿性的高聚物，以利于注射液能完全抽出；丸剂的黏合剂应能润湿药物，以利于团块的制备；渗漉法提取前，应将药材充分润湿。

二、表面活性剂

1.表面活性剂的含义

溶液的表面张力与溶质的性质和浓度有关。例如水溶液的表面张力因溶质的不同而发生变化。糖类、非挥发性的酸和碱、无机盐可略微升高水的表面张力；一些有机酸和低级醇等可略微降低水的表面张力；肥皂和洗衣粉可显著降低水的表面张力。

表面活性剂（surfactant，surface active agent）是指能使液体表面张力显著降低的物质。表面活性剂应有增溶、乳化、润湿、去污、杀菌、消泡和起泡等应用性质。

表面活性剂之所以能降低表面（界面）张力，是由于这些物质分子结构上的特点：①它们大都是长链的有机化合物，烃链长度一般不少于8个碳原子；②分子中同时具有亲水基团和亲油基团。亲油基团一般是非极性烃链，亲水基团为一个以上的极性基团。极性基团可以是解离的，也可以是不解离的。羧酸、磺酸、硫酸酯和它们的可溶性盐，以及磷酸基与磷酸酯基、氨基或胺及其盐酸盐、羟基、巯基、酰氨基、醚键、羧酸酯基等均可成为亲水基团。如肥皂是脂肪酸类（R—COO—）表面活性剂，其结构中亲水基团是羧基（COO—），亲油基团是脂肪酸碳链（R—）。在同系列表面活性剂中，烃链的长度往往与降低表面张力的效率成正比。

2.表面活性剂分子在溶液中的正吸附

表面活性剂溶于水时，由于其两亲性，即同时具有亲水性和亲油性，而在水-空气界面产生定向排列，亲水基团朝向水，而亲油基团朝向空气。在浓度较低时，表面活性剂基本集中在表面形成单分子层，其在表面层的浓度大大高于溶液内的浓度，并使溶液的表面张力降低到水的表面张力以下。这种表面活性剂在溶液表面层聚集的现象称为正吸附。正吸附使溶液的表面性质发生了改变，最外层表现出非极性烃链性质，呈现出较低的表面张力，体现出较好的润湿性、乳化性和起泡性等。

3.表面活性剂在固体表面的吸附

表面活性剂溶液与固体接触时，其分子很容易在固体表面产生吸附，使固体表面状态和性质发生改变。

极性固体物质对离子型表面活性剂的吸附在低浓度下形成单分子层，表面活性剂分子的疏水链朝向空气；当表面活性剂溶液浓度达到临界胶束浓度时，吸附至饱和，此时为双层吸附，表面活性剂分子排列与第一层方向相反，亲水基团朝向空气。吸附量可随溶液温度的升高而减少。

非极性固体物质一般只产生单分子层吸附，表面活性剂分子的亲水基团朝向空气。吸附量在表面活性剂浓度增加时并不相应增加，甚至可能减少。

非离子型表面活性剂与离子型表面活性剂在固体表面的吸附相似，但非离子型表面活性剂的吸附量随温度升高而增加，并能从单分子层吸附转变为多分子层吸附。