纳米乳液是利用适当的表面活性剂或外部条件，一相以纳米级液滴的形式高度分散于不相溶的另一相中的多相胶体分散体系。根据组分和内外相分布不同，纳米乳液可分为水包油型（O/ W）和油包水型（W/O）的双相乳液以及水包油包水型（W/ O/W）和油包水包油型（O/W/O）的多相乳液。纳米乳液的液滴尺寸通常分布在5~200nm之间，且其油水界面张力很低。在不同应用领域，纳米乳液还经常被称为亚微米乳液、 超细乳液或细乳液等，有时易与微乳液混淆。虽然微乳液的液滴尺寸与纳米乳液接近，但两者具有本质区别：首先，微乳液是热力学稳定的，颗粒尺寸不会随储藏进程而变化；纳米乳液是热力学不稳定的，会由于奥斯瓦尔德熟化、絮凝、聚集或重力等作用而导致粒径粗化。 其次，纳米乳液是动力学稳定的，而微乳液是动力学不稳定的，稀释或者温度变化会影响粒径尺寸和分布。第三，纳米 乳液和微乳液的粒径形状和粒径分布不同，纳米乳液液滴通常表现为单一峰或双峰分布的球形颗粒，而微乳液液滴通常表现为单一峰分布的球形或非球形颗粒。

 纳米乳液具有以下优点[5]：液滴尺寸较小，呈现透明外 观，有别于发雾或者乳白色的传统乳化体外观；高表面积的 特性可用在功效物传输系统中；体系稳定，相比于粗乳液， 不易分层、沉降、絮凝或聚集。近年来人们对纳米乳液的 研究不断加深，根据使用目的不同已开发出液体、膏霜、 喷雾、凝胶、气溶胶、泡沫等诸多纳米乳液剂型，并被 广泛应用到制药、食品、化妆品、材料合成等领域。

1.纳米乳液的制备

在纳米乳液制备过程中，通常需要用于克服界面能的外加能量，将内相液滴尺寸降低到纳米乳液预期粒径范围内，并且确保纳米乳液稳定性。该种外加能量可以是由机械力产生的高能，也可以是源自体系特性的化学势能。根据外加能量的来源不同，纳米乳液的制备方法分成高能乳化法和低能乳化法。

1.1 高能乳化法

       高能乳化法利用极高的机械外力，为纳米乳液的形成产生巨大的界面面积，且机械外力所提供的能量可克服内外相液体之间的界面能，从而降低内相液滴尺寸。通常，高能乳化过程可分为3步：首先，粗尺寸内相液滴的形成；其次，粗尺寸内相液滴减小成纳米液滴；最后，表面活性剂吸附在内外相界面间，以稳定纳米乳液体系。根据设备不同，目前高能乳化法可分为高压均质乳化法、超声乳化法和微射流乳化法。

1.1.1 高压均质乳化法

高压均质乳化法是一种常见的纳米乳化技术。在纳米乳液制备过程中，预先混合的乳液体系被高压泵入、通过一个狭窄的压力阀并高速流出。此时在剪切、碰撞等强力作用下，较粗的内相原始颗粒破碎成纳米液滴。高压均质乳化纳米乳液的过程可用湍流和气穴现象解释，首先利用高压使料体通过压力阀获得高流速，从而产生强烈的局部湍流旋涡，最终减小液滴尺寸；其次料体通过压力阀产生的压力差会产生气穴现象，进一步增加料体中的旋涡，破坏初始颗粒，减小液滴尺寸。高压均质乳化法主要适用于粘度中等或较低的乳液体系。根据操作温度不同，高压均质乳化法可分为高温高压均质乳化法和低温高压均质乳化法，后者适用于含有温度敏感组分的纳米乳液。

1.1.2 微射流乳化法

       同高压均质乳化法一样，微射流乳化法也是利用高压将粗乳液加工成纳米乳液。但与高压均质法不同的是，微射流乳化法属于直接乳化法，也即乳化过程是在微通道中直接将分散相高速“注射”到连续相中，而不需要对乳液进行预先乳化处理。此外，微射流乳化器在流体通道的设计构造上也不同于高压均质乳化器，通过合理设计微通道尺寸和构造，便可有效控制纳米乳液的内相液滴尺寸。另外，由于纳米乳液分为O/W型和W/O型，所以根据剂型选择内表面亲水或亲油处理的微通道，可提高纳米乳液的稳定性。微射流乳化技术优点突出：控制内相液滴尺寸的精准度高，适合精密度要求较高的如生物、医学、材料合成等领域。但也存在生产成本高，设备构造精度要求高、操作条件和难度大等不足。

1.1.3 超声乳化法

超声乳化法主要利用气穴现象来制备纳米乳液。当超声波作用于料体时将产生大量气泡，气泡破裂后可在料体内产生局部湍流和剪切，从而将内相初始液滴打碎至纳米尺度。在特定条件下，由超声波产生的气泡破裂可产生巨大能量，使破碎气泡周围的温度和压强分别达到10000K和几百个大气压，从而为纳米乳液的乳化过程提供有效动力。O/W型纳米乳液的二阶段超声乳化机理（如图1所示）：第一阶段是初始液滴的产生，当超声波作用于体系时，超声场将产生界面波，促使油相进入水相并分裂成粗液滴；第二阶段，由空穴现象引起的体系内局部湍流和剪切，将粗液滴粉碎成纳米液滴。超声乳化技术具备以下优点：颗粒尺寸小且分布窄，乳化剂需求量少，相对其他高能乳化法能耗低污染小，操作简便等。随着科技的进步，超声设备得到不断改进和更新，也使其逐渐突破了无法大规模应用的局限，为工业化应用提供了可能。

图1 二阶段超高声乳化机理

1.2 低能乳化法

低能乳化法主要依赖于体系中组分自身的理化性质和体系内部化学能来完成乳化过程，具有能耗较少、反应条件温和等优点。低能乳化法主要包含相转变法、自发乳化法和膜乳化法等。

1.2.1 相转变法

相转变法主要通过改变界面上表面活性剂层的曲率来 制备纳米乳液，根据改变表面活性剂曲率方法的不同可分为相转变组分法和相转变温度法，如图2所示（下箭头为相转变温度法；右箭头为相转变组分法）。

图2 相转变组分法和相转变温度法示意图

相转变组分法（PIC法）：是指通过改变各组分的占比以促使体系发生相反转从而制备纳米乳液的方法。该方法通过改变体系内各组分比例，从而改变界面上表面活性剂层的曲率半径，当组分比例变化超过一定值时，就会发生相转变。利用PIC法从W/O型乳液制备O/W型纳米乳液的过程：首先，水相逐步加入油相（含表面活性剂）中以提高水油相比例，此时界面上表面活性剂层曲率为负值，形成 W/O型乳液；当水相继续添加至一定阈值时，表面活性剂层曲率接近于零，此时易形成双连续相和层状液晶相等过渡相；当进一步添加水相超过这一阈值时，表面活性剂层曲率转变为正值，此时体系转变成O/W型纳米乳液。

相转变温度法（PIT法）：PIT法主要通过改变温度来影响体系中非离子表面活性剂的HLB值从而实现相转变的。以常用的聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为例，改变体系温度可以改变其亲水端聚乙二醇的亲水性，从而改变HLB值和对油、水相的亲和力。体系低温时，聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂表现出亲水性，可形成O/W 型乳液；当体系高温时，则表现出亲油性，可形成W/O型乳液；当体系处于某一中间温度（PIT点）时，聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂对水相和油相的亲和力接近平衡，可形成双连续相和层状液晶相等过渡相。在温度处于PIT点时，由于油水界面张力非常低，体系极易被乳化成纳米乳液但十分不稳定，此时可通过迅速降温通过PIT点来形成稳定的O/W 型纳米乳液。通常PIT法多用在含聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂的乳液体系中，因为此类乳化剂的HLB值对温度最敏感。由于对温度变化不敏感，含离子型表面活性剂不适用PIT法。

1.2.2 自发乳化法

       由体系自发形成纳米乳液的方法简称为自发乳化法。自发乳化是指由分散相与连续相混合过程中产生的化学能的驱动下自发乳化形成乳液的过程。一般情况下，自发乳化过程可用Ouzo效应解释（也称为溶剂置换效应），该效应依据①分散和②浓缩两个机理，解释了油相中有机溶剂在水相快速扩散促使了O/W型纳米乳液的形成过程（W/O型 纳米乳化体系，反之亦然）。①分散机理认为，当两相相结合未达平衡时，两相界面物质扩散引起的表面张力梯度将导致内相形成液滴，同时促使界面面积增大；②同时浓缩机理认为，界面面积的增大将促使液滴成核和生长，进而形成局部过饱和的浓缩相，最终发生自发乳化，如图7所示。通常上述形成的内相液滴是不稳定的，需要表面活性剂和少量外力协助稳定。结合表面活性剂的自发乳化过程主要分为3步：水相和油相的制备，油相包含油，亲脂性表面活性剂以及水溶性有机溶剂，水相包含水和亲水性表面活性剂；在少量外力搅拌下，油相加入水相中，由于有机溶剂的快速扩散，内相油滴即可形成；负压下蒸发去除有机溶剂，O/W型纳米乳液形成。

1.2.3 膜乳化法

膜乳化法可有效控制液滴尺寸和分布，是一种低能耗的、操作条件温和的新型纳米乳化技术。膜乳化过程如图3所示，分散相在压力作用下从膜一侧通过多孔或微通道，从而在膜另外一侧流动的连续相中被挤压形成内相液滴。由于受到连续相拽力、液滴自身浮力、内外相界面张力和驱动压力的影响，所形成的内相液滴往往是偏离球形结构的。

图3 膜乳化过程示意图

      如图4所示，根据膜孔的亲水/亲油性结合一定的乳化工艺可以制备不同剂型的纳米乳液。图4a即是传统的直接膜乳化工艺；在图4b和4c中，单纯的分散相被替换成预处理的O/W型粗乳液，如果膜是亲水性，则膜乳化后可形成O/W型纳米乳液；当膜是亲油性时，粗乳液过膜孔后将发生相转变，从而形成W/O型纳米乳液。

图4 膜乳化工艺

2.纳米乳液的稳定性

       稳定性是纳米乳液最重要的参数之一，由于内相液滴尺寸极小，液滴可通过布朗运动来阻止体系沉降或絮凝，从而提供稳定性。但是纳米乳液是热力学不稳定的，随时间推移，终将导致体系失稳。纳米乳液的失稳主要体现在液滴的不断聚集粗化，最终导致不可逆转的相分离。目前纳米乳液的失稳机理主要有三种：奥斯瓦尔德熟化、液滴聚结以及接触熟化。

2.1 奥斯瓦尔德熟化

奥斯瓦尔德熟化机理认为：分散相液滴在连续相中有一定溶解度，所以液滴间存在分子扩散。同时，由于体系中液滴的非均一性，不同尺寸液滴的界面势能和曲率半径不同，因此在连续相中的溶解度不同，由此产生的溶解度差促使了小尺寸液滴通过连续相转移给大尺寸液滴，最终使液滴变大。此外，由于纳米液滴的拉普拉斯压力比传统乳液高很多，使得纳米乳液的奥斯瓦尔德熟化能力比传统乳液更强。

2.2 液滴聚结

       液滴聚结是指体系中由于布朗运动、相互引力作用亦或体系扰动导致两液滴相互靠近、碰撞至融合的过程。液滴碰撞接触前，液滴间的连续相液膜会经过扰动、薄化以及最终破坏的过程，称为液膜的消耗过程。液滴间连续相液膜在消耗过程中，将施加一个流体力学作用力在两液滴表面，弯曲液滴表面从而增加液滴间的接触面积，这对液滴聚结有至关重要的影响。

2.3 接触熟化

       接触熟化是近期提出的第三种纳米乳液失稳机理，是由Roger等通过研究含有非离子型表面活性剂的单分散O/W 型乳化体系时提出的。Roger等通过研究非离子型表面活性剂的不同疏水和亲水链长度对熟化速率的影响，结合实验结果提出了一种有别于奥斯瓦尔德熟化和液滴聚结的失稳机理，该理论认为界面上单位面积表面活性剂分子的局部波动将受亲水/亲油分子链链长的制约，从而影响分散相分子在液滴间的传递速率以及整个体系的液滴尺寸变化速率。接触熟化速率主要受2类因素制约：表面活性剂层状结构的属性，如表面活性剂分子的亲水性和内聚力；控制液滴碰撞几率的因素，如分散相液滴浓度和液滴间长距排斥力等。

3.在化妆品中的应用

 纳米乳液性质稳定，加工工艺多样化，而且安全无毒无刺激，目前已被广泛用作化妆品的功效物传输体系。相比于传统乳液，纳米乳液体系更适合用于功效物传输：纳米乳液体系的液滴尺寸小，表面积大，更有利于内相功效成分的传输和透皮吸收，同时减少促渗剂的使用，消除潜在刺激；纳米乳液，加工工艺多样化，有利于根据不同功效成分的需求，提供合适的工艺方案。如利用低温的转相乳化工艺加工处理热敏性功效成分，保证其活性；纳米乳液体系稳定，不易絮凝、沉降，可有效保证化妆品货架期稳定性；内相功效物利用率高，表面活性剂需求量小，功效性与安全性并重；很多纳米体系已发现具有生物活性效应，可减少透皮水分流失，保证皮肤屏障功能。表1汇总了一系列纳米乳液在化妆品领域的应用案例。

表1 纳米乳液在化妆品领域的应用案例

4.结语 

纳米乳液是一种独特的新型胶体分散体系，由于其可控的超细液滴粒径分布和稳定性，已在化妆品领域被用作活性物或功效成分的传输系统，并且表现出极佳的应用前景。而且随着传统高能乳化法的优化以及低能乳化法的不断突破，纳米乳液将得到越来越多的应用。此外，针对纳米乳液的热力学不稳定的特点，继续深入研究稳定性机理及其对纳米乳液在生产加工、存储运输和实际使用的影响，或许可进一步推广纳米乳液技术在化妆品领域的应用。

微射流高压均质机

                                                                                                                                                 CHEN250912