乳胶

IUPAC定义

液滴分散在另一种液体中的流体体系。

注 1： 该定义基于参考资料中的定义提出^[2]

注 2： 液滴可以是非晶态、液晶态或两者的混合态

注 3： 分散相中液滴的直径分布通常从10nm-100μm
；即液滴可能超过胶体颗粒一般尺寸极限。

注 4： 油/水乳胶是指离散相为有机物，连续相为水或水溶液，
水/油乳胶是指离散相是水或水溶液，连续相为
有机溶剂（油）。

注 5: 水/油乳胶有时又被称为反相乳胶。但“反相乳胶”
容易引起歧义，误导理解为该乳胶与常规乳胶具有相反
的性质。因此，不推荐使用它。^[3]

乳胶包含分散相和连续相，相之间的边界称为“界面”^[4]。因为光穿过乳胶相界面时会发生散射，所以乳胶往往呈混浊状。当所有的光均匀散射时，乳胶呈白色。当乳胶的浓度很低时，高频(低波长)光就会散射地更多，乳胶呈现蓝色–这就是“丁达尔效应”。如果乳胶浓度足够高，颜色将朝着相对较长的波长转化，呈现出更多的黄色。这种现象很容易观察到，可以对比含有少量脂肪的脱脂奶和含有高乳脂浓度的奶油。另一个例子是水和油的混合液。

两种特殊类型的乳胶——微乳液和纳米乳液（专有名称），液滴尺寸小于100 nm——呈现半透明状。^[5]这一特性是由于只有液滴尺寸超过入射光波长的四分之一时，光才会发生散射。可见光波长在390到750nm之间，如果液滴尺寸低于100 nm，光可以穿过乳胶而不发生散射。^[6]由于纳米乳液和微乳液外观相似，所以它们经常被混淆。与需要专门设备才能生产的半透明纳米乳液不同，微乳液是由表面活性剂、助表面活性剂和共溶剂的混合物“溶解”油分子而自发形成的。^[5]然而，微乳液中所需的表面活性剂浓度比半透明纳米乳液中高几倍，并且显著超过分散相的浓度。由于表面活性剂有很多副作用，在不少应用中表现出不利影响，甚至被禁止使用。此外，微乳液的稳定性通常容易受到稀释、加热或改变pH值的影响。

普通乳胶本质上是不稳定的，因此不容易自发形成。乳胶的形成离不开能量输入，一般通过摇动、搅拌、均质化或超声^[7] 。随着时间的推移，乳胶趋向于恢复到两相混合前的稳定状态。这方面的一个例子是油醋汁，油和醋组成的不稳定乳胶，除非连续搅拌，否则它会快速分离。这条规则也有一些重要的例外——微乳液在热力学上稳定，而半透明纳米乳液在动力学上稳定。^[5]

油和水混合是变成“油包水”乳胶还是“水包油”乳胶取决于两相的体积分数和乳化剂(表面活性剂)的类型(参见下文乳化剂 )。一般来说，班克罗夫特规则适用。乳化剂和乳化颗粒倾向于促进其溶解度低的相成为分散相。例如，蛋白质在水中比在油中溶解得更好，因此往往形成水包油乳胶(即，它们促进油滴在水的整个连续相中的分散)。

如果两种疏水液体混合形成乳胶，且分散相浓度很高，其几何结构是分形的：乳胶颗粒不可避免地会在小尺度上形成动态非均匀结构。这些结构的几何形状是分形的，大小也呈现不规则性。结构特性通过一个通用函数控制，该函数取决于组分的体积含量。这些不规则性的分形维数为2.5。^[8]

1.1 不稳定性

乳胶稳定性是指乳胶抵抗其性质随时间变化的能力。^[9][10]乳胶有四种不稳定性：絮凝、乳化 / 沉淀、凝聚和奥斯瓦尔德熟化。当液滴之间有吸引力时，就会发生絮凝，此它们会形成像葡萄串一样的絮凝物。当液滴相互碰撞并结合形成更大的液滴时，就会发生凝聚，因此平均液滴尺寸会随着时间的推移而增大。乳胶也可以乳化，液滴在浮力的影响下或在离心机产生的向心力下，上升到乳胶的顶部。^[9]乳化是乳制品和非乳制品饮料(即牛奶、咖啡牛奶、杏仁牛奶、豆奶)中的常见现象，通常不会改变液滴大小。^[11]沉降是与乳化相反的现象，通常在油包水乳胶中观察到^[4]。当分散相比连续相密度大时，重力将密度大的液滴拉向乳胶底部，发生沉淀。与乳化相似，沉降遵循斯托克定律。

合适的“表面活性剂”可以增加乳胶的动力学稳定性，使得液滴的大小不会随时间显著变化。例如，以单、双甘油酯和乳蛋白作为表面活性剂的水包油乳胶，在25℃下储存28天，油滴大小稳定。^[11]

1.2 监控物理稳定性

乳胶的稳定性可以通过光散射、聚焦光束反射率测量、离心和流变学等技术来表征。每种方法都有优点和缺点。

1.3 保质期预测的加速方法

一些产品的失稳动力学过程可能长达几个月，甚至数年。通常，配方设计师必须加快这一过程，以便在产品设计期内合理的时间完成测试。热方法是最常用的——包括提高乳胶温度以加速失稳(需在低于相变或化学降解的临界温度的条件下)。当使用非离子表面活性剂时，温度不仅影响粘度，还影响表面张力，或更大范围地影响系统内部的相互作用。高温下存储乳胶，可以模拟产品的实际情况（如，炎热夏季在汽车中放置一管防晒乳），也可以将失稳过程加速到200倍。

机械加速法，包括振动、离心和搅拌。

这些方法几乎都是经验性的，缺乏可靠的科学依据。

乳化剂是一种通过增加动力学稳定性来稳定乳胶的化合物。一类乳化剂被称为“表面活性剂”。乳化剂通常含有极性（即亲水性或水溶性)部分，和非极性(即疏水性或亲脂性)部分。因此，乳化剂多少能溶于水中或油中。易溶于水(反之，难溶于油)的乳化剂通常会形成水包油乳胶，而易溶于油的则会形成油包水乳胶。^[12]

食品乳化剂的例子有:

• 蛋黄-主要乳化剂是卵磷脂（lecithin）。事实上，lecithos是希腊语中蛋黄的意思
• 芥末-种皮周围的粘液中有多种化学物质起乳化剂的作用
• 大豆卵磷脂是另一种乳化剂和增稠剂
• 皮克林稳定剂-使颗粒稳定
• 磷酸钠盐
• 单甘油酯和双甘油酯-常见的乳化剂，存在于许多食品中(咖啡奶精、冰淇淋、果酱、面包、蛋糕)
• 硬脂酸钠
• DATEM (二乙酰酒石酸单和双甘油酯的) –主要用于烘焙的乳化剂
• 简单纤维素——一种仅用水从植物材料中提取的颗粒乳化剂

洗涤剂是另一类表面活性剂，通过与油和水发生物理作用，稳定悬浮液中油-水界面。这一原理被用在肥皂中，以去除油脂达到清洁的目的。在药剂学中使用许多不同的乳化剂来制备化妆品，如面霜和乳液。常见的例子包括乳化蜡、 聚山梨酯-20 和鲸蜡硬脂醇聚醚-20。^[13]

有时内相本身可以起到乳化剂的作用，内相化为“纳米级”液滴分散在外相中，形成纳米乳液。这个现象有一个著名例子——“乌佐效应”，当水被倒入某些茴香型烈酒中就会发生“纳米乳液”现象，如乌佐、帕蒂斯 、苦艾酒、阿拉克或拉基酒。易溶于乙醇的茴香醚形成纳米尺寸的液滴，并在水中乳化。酒最终颜色是不透明的乳白色。

乳化可能涉及许多不同的化学、物理过程和机理：

• 表面张力理论——根据这一理论，乳化是通过降低两相之间的界面张力来实现的
• 排斥理论——乳化剂在相间形成互相排斥的球膜。这种斥力使液滴悬浮在分散介质中
• 粘度改性-乳化剂，像阿拉伯胶、黄蓍胶这样的水胶体，PEG(聚乙二醇)、甘油、或像CMC(羧甲基纤维素)这样的聚合物，都能增加介质的粘度，有助于分散相悬浮液滴的形成和保持

4.1 在食物方面

水包油乳液在食品中很常见:

• 浓缩咖啡中的油脂(泡沫)-咖啡油酯分散在水中(煮好的咖啡)，形成不稳定的乳胶
• 蛋黄酱和荷兰酱–利用蛋黄卵磷脂或其他类型食品添加剂（如硬脂酰乳酸钠），来稳定的水包油乳胶
• 均质牛奶-乳脂肪和水形成的乳胶，其中乳蛋白作为乳化剂
• 调味汁-植物油和醋形成的乳胶，如果只使用油和醋(即没有乳化剂)制备，乳胶不稳定

油包水乳液在食品中不太常见，但仍然存在:

• 黄油-水在黄油中的乳胶
• 人造黄油

其他食物也可以制成类似乳胶的产品，例如肉糜可以理解为一种悬浮在液体中的肉，类似于真正的乳胶。

4.2 卫生保健

在制药，美发，个人卫生和化妆品中，经常使用乳胶（乳液）。它们通常是油和水构成的，许多情况下它们的连续性取决于药物配方。这些乳胶被称为乳膏、软膏、亚麻剂(香脂)、糊剂、膜或液体，这主要取决于油水比、其他添加剂以及预期的给药途径。^[14][15]前5个是外用剂型，可用于皮肤、经皮、眼、直肠或阴道。高液体化乳胶也可口服，在某些情况下可注射。^[14]

微乳液用于输送疫苗和杀死微生物。^[16]这些技术中使用的典型乳胶是大豆油纳米乳液，颗粒直径为400-600nm。^[17]与其他类型的抗菌方法不同，这个过程不是化学的，而是机械的。液滴越小，表面张力越大，因此与其他脂质融合所需的力也越大。在高剪切混合器作用下，油被洗涤剂乳化并形成稳定乳胶，当遇到细胞膜上或细菌与病毒包膜上的脂质时，会迫使脂质与自身结合。上述过程大规模发生时，实际上分解了细胞膜，杀死了病原体。大豆油乳胶不会伤害正常的人体细胞，也不会伤害大多数高等生物的细胞，但精子细胞和血细胞除外，由于其膜结构的特殊性，它们易受纳米乳液的影响。因此，目前没有使用这类纳米乳液静脉注射的(IV)。这种纳米乳液最有效的应用是对表面进行消毒。一些纳米乳液已被证实可以有效地破坏HIV-1和肺结核病原体。

4.3 在消防方面

乳化剂能有效扑灭易燃液体小型薄层的溢出物( B类火灾)。通过高压喷嘴向燃料中施加表面活性剂水溶液，乳化剂将燃料封装在燃料-水乳液中，从而在水相中将可燃蒸汽捕获。

对于大批量/深层液体燃料引起的大火灾，乳化剂的灭火效果有限，因为灭火所需乳化剂的量是燃料体积的函数，而其它试剂如水成膜泡沫只需要覆盖燃料表面，就能减少可燃蒸汽缓解灾情。^[18]

4.4 化学合成

乳胶用于制造聚合物分散体——在乳胶“相中”生产聚合物具有许多工艺优势，如防止产品凝结。这种聚合产生的产品可以用作乳胶——如胶水和油漆中的主要成分。合成乳胶 (橡胶)也通过这一工艺生产。