第三节 表面活性剂的理化性质和生物学性质一、临界胶束浓度 当表面活性剂的正吸附到达饱和后继续加入表面活性剂，其分子则转入溶液中，因其亲油基团的存在，水分子与表面活性剂分子相互间的排斥力远大于吸引力，导致表面活性剂分子自身依赖范德华力相互聚集，形成亲油基团向内，亲水基团向外、在水中稳定分散、大小在胶体粒子范围的胶束（micelles）在一定温度和一定的浓度范围内，表面活性剂胶束有一定的分子缔合数，但不同表面活性剂胶束的分子缔合数各不相同，离子表面活性剂的缔合数约在10～100，少数大于 1000非离子表面活性剂的缔合数一般较大，例如月桂醇聚氧乙烯醚在 25℃的缔合数为 5000表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度（critical micell concentration, CMC），不同表面活性剂的CMC 不同，见表 4-2具有相同亲水基的同系列表面活性剂，若亲油基团越大，则 CMC 越小在 CMC 时，溶液的表面张力基本上到达最低值在 CMC 到达后的一定范围内，单位体积内胶束数量和表面活性剂的总浓度几乎成正比 表 4-2 常用表面活性剂的临界胶束浓度 名称 测定温度/℃ CMC/molL-1 名称 测定温度/℃ CMC/molL-1 辛烷基磺酸钠 25 1.50×10-1 氯化十二烷基铵 25 1.6×10-2 辛烷基硫酸钠 40 1.36×10-1 月桂酸蔗糖酯 2.38×10-6 十二烷基硫酸 40 8.60×10-3 棕榈酸蔗糖 9.5×10-5 钠 酯 十四烷基硫酸钠 40 2.40×10-3 硬脂酸蔗糖酯 6.6×10-5 十六烷基硫酸钠 40 5.80×10-4 吐温 20 25 6.0×10-2 (g/L,以下同 ) 十八烷基硫酸钠 40 1.70×10-4 吐温 40 25 3.1×10-2 硬脂酸钾 50 4.50×10-45 吐温 60 25 2.8×10-2 油酸钾 50 1.20×10-3 吐温 65 25 5.0×10-2 月桂酸钾 25 1.25×10-2 吐温 80 25 1.4×10-2 十二烷基磺酸钠 25 9.0×10-3 吐温 85 25 2.3×10-2 （二）胶束的结构 在一定浓度范围的表面活性剂溶液中，胶束呈球形结构（图 4-1a），其碳氢链无序缠绕构成内核，具非极性液态性质。
碳氢链上一些与亲水基相邻的次甲基形成整齐排列的栅状层亲水基则分布在胶束表面，由于亲水基与水分子的相互作用，水分子可深入到栅状层内对于离子型表面活性剂，则有反离子吸附在胶束表面随着溶液中表面活性剂浓度增加（20％以上），胶束不再保持球形结构，则转变成具有更高分子缔合数的棒状胶束（图 4-1ｂ），甚至六角束状结构（图 4-1c），表面活性剂浓度更大时，成为板状或层状结构（图 4-1d和 e）从球形结构到层状结构，表面活性剂的碳氢链从紊乱分布转变成规整排列，完成了从液态向液晶态的转变，表现出明显的光学各向异性性质，在层状结构中，表面活性剂分子的排列已接近于双分子层结构在高浓度的表面活性剂水溶液中，如有少量的非极性溶剂存在,则可能形成反向胶束，即亲水基团向内，亲油基团朝向非极性液体油溶性表面活性剂如钙肥皂、丁二酸二辛基磺酸钠和司盘类表面活性剂在非极性溶剂中也可形成类似反向胶束 图 4-1 胶束的结构 （三）临界胶束浓度测定 当表面活性剂的溶液浓度达到临界胶束浓度时，除溶液的表面张力外，溶液的多种物理性质，如摩尔电导、粘度、渗透压、密度、光散射等多种物理性质发生急剧变化或者说，溶液物理性质发生急剧变化时的浓度即该表面活性剂的CMC。
利用这些性质与表面活性剂浓度之间的关系，可推测出表面活性剂的临界胶束浓度但测定的性质不同以及采用不同的测定方法得到的结果可能会有差异另外，温度、浓度、电解质、pH 等因素对测定结果也会产生影响 二、亲水亲油平衡值 （一）HLB 值的概念 表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力称为亲水亲油平衡值（hydrophile －lipophile balance ，HLB）根据经验，将表面活性剂的 HLB值范围限定在 0～40，其中非离子表面活性剂的 HLB 值范围为 0～20，即完全由疏水碳氢基团组成的石蜡分子的 HLB 值为 0，完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的 HLB 值为 20，既有碳氢链又有氧乙烯链的表面活性剂的 HLB 值则介于两者之间亲水性表面活性剂有较高的 HLB 值，亲油性表面活性剂有较低的 HLB 值亲油性或亲水性很大的表面活性剂易溶于油或易溶于水，在溶液界面的正吸附量较少，故降低表面张力的作用较弱 表面活性剂的 HLB 值与其应用性质有密切关系,HLB 值在 3～6 的表面活性剂适合用做 W/O 型乳化剂， HLB 值在 8～18 的表面活性剂，适合用做 O/W型乳化剂。
作为增溶剂的 HLB 值在 13～18，作为润湿剂的 HLB 值在 7～9 等，如图 4－2 所示 图 4－2 不同 HLB 值表面活性剂的适用范围 一些常用表面活性剂的 HLB 值列于表 4-3非离子表面活性剂的 HLB 值具有加和性，例如简单的二组分非离子表面活性剂体系的 HLB 值可计算如下： （4-1） 如，用 45％司盘 60（HLB=4.7）和 55％吐温 60（HLB=14.9）组成的混合表面活性剂的 HLB 值为 4.31但上式不能用于混合离子型表面活性剂 HLB 值的计算 表 4-3 常用表面活性剂的 HLB 值 表面活性剂 HLB 值 表面活性剂 HLB 值 阿拉伯胶 8.0 吐温 20 16.7 西黄蓍胶 13.0 吐温 21 13.3 明胶 9.8 吐温 40 15.6 单硬脂酸丙二酯 3.4 吐温 60 14.9 单硬脂酸甘油酯 3.8 吐温 61 9.6 二硬脂酸乙二酯 1.5 吐温 65 10.5 单油酸二甘酯 6.1 吐温 80 15.0 十二烷基硫酸钠 40.0 吐温 81 10.0 司盘 20 8.6 吐温 85 11.0 司盘 40 6.7 卖泽 45 11.1 司盘 60 4.7 卖泽 49 15.0 司盘 65 2.1 卖泽 51 16.0 司盘 80 4.3 卖泽 52 16.9 司盘 83 3.7 聚氧乙烯 400 单月桂酸酯 13.1 司盘 85 1.8 聚氧乙烯 400 单硬脂酸酯 11.6 油酸钾 20.0 聚氧乙烯 400 单油酸酯 11.4 油酸钠 18.0 苄泽 35 16.9 油酸三乙醇胺 12.0 苄泽 30 9.5 卵磷脂 3.0 西土马哥 16.4 蔗糖酯 5～13 聚氧乙烯氢化蓖麻油 12～18 泊洛沙姆 188 16.0 聚氧乙烯烷基酚 12.8 阿特拉斯 G-263 25～30 聚氧乙烯壬烷基酚醚 15.0 （二）HLB 值的理论计算法 如果把表面活性剂的 HLB 值看成是分子中各种结构基团贡献的总和，则每个基团对 HLB 值的贡献可以用数值表示，这些数值称为 HLB 基团数（group number），将各个 HLB 基团数代入下式，即可求出表面活性剂的 HLB 值，该计算值与一些实验测定法的结果有很好的一致性： HLB=Σ（亲水基团 HLB 数）-Σ（亲油基团 HLB 数）+7 如十二烷基硫酸钠的 HLB 值为： HLB=38.7-（0.475×12）+7=40.0 表面活性剂的一些常见基团及其 HLB 基团数列于表 4-4。
表 4-4 用于计算 HLB 值的基团数 亲水基团 基团数 亲油基团 基团数 -SO4Na 38.7 -CH- 0.475 -SO3Na 37.4 -CH2- 0.475 -COOK 21.1 -CH3 0.475 -COONa 19.1 ＝CH- 0.476 -N＝ 9.4 -CH 2-CH2-CH2-O- 0.15 酯(失水山梨醇环) 6.8 -CH-CH 2-O- 0.15 酯（自由） 2.4 CH 3 -COOH 2.1 苯环 1.662 -OH（自由） 1.9 -CF 2- 0.870 -O- 1.3 -CF3 0.870 -OH（失水山梨醇环） 0.5 CH 3 -(CH2CH2O)- 0.33 -CH2-CH-O- 0.15 三、 Krafft 点与昙点 （一）Krafft 点 对于离子型表面活性剂，例如十二烷基硫酸钠在水中的溶解度随温度变化曲线 AKB，如图 9-10。
可以看出随温度升高，其溶解度在某一温度 K 点急剧升高，转折点 K 对应的温度称克拉费特点(Krafft point)而此点对应的溶解度即为该离子型表面活性剂的临界胶团浓度（图中虚线对应浓度）当溶液中表面活性剂的浓度未超过溶解度时，在区域Ⅰ为溶液状态 AK 线以下；当继续加入表面活性剂时，则有表面活性剂析出，在区域ⅡAKB 线以上；此时再升高温度，体系又成为澄明溶液，KB 曲线以下（区域Ⅲ），但与Ⅰ相不同，相是表面活性剂的胶束溶液 T/℃ 图 9-10 十二烷基硫酸钠在水中的溶解度与温度关系 Krafft 点是离子型表面活性剂的特征值，Krafft 点越高的表面活性剂，临界胶团浓度越小Krafft 点也是表面活性剂应用温度的下限，或者说，只有在温度高于 Krafft 点表面活性剂才能更好的发挥作用如十二烷基硫酸钠的Krafft 点为 8℃，而十二烷基磺酸钠的 Krafft 点为 70℃，在室温条件下使用，前者作增溶剂为好，后者的 Krafft 点高就不够理想 （二）昙点（Cloud Point） 对非离子型表面活性剂在水溶液中得溶解度随温度升高而下降，使溶液变浊，称此变浊温度为昙点（Cloud point），亦称浊点。
昙点是非离子型表面活性剂的特征值此类表面活性剂的昙点在 70~100℃，例如吐温 20 为 90℃；吐温 60为 76℃；吐温 80 为 93℃吐温类产生昙点的原因是温度升高，聚氧乙烯链与水之间的氢键断裂，水合能力下降，溶解度反而减小，溶液变浊出现昙点，冷却时氢键重新形成，又澄明在聚氧乙烯链相同时，碳氢链越长，则昙点越低；在碳氢链长相同时，聚氧乙烯链越长则昙点越高 四、表面活性剂的生物学性 （一）表面活性剂对药物吸收的影响 研究发现表面活性剂的存在可能增进药物的吸收也可能降低药物的吸收，取决于多种因素的影响如药物在胶束中的扩散、生物膜的通透性改变、对胃排空速率的影响、粘度等，很难作出预测 如果药物被增溶在胶束内，药物从胶束中扩散的速度和程度及胶束与胃肠生物膜融合的难易程度具有重要影响如果药物可以顺利从胶束内扩散或胶束本身迅速与胃肠粘膜融合，则增加吸收，例如应用吐温 80 明显促进螺内酯的口服吸收。