Исследование поверхностно-активных и функциональных свойств бинарных смесей неионогенных ПАВ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2012 Химия Вып. 3(7)

УДК 541.18

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ НЕИОНОГЕННЫХ ПАВ М.Г. Щербань1, А.Л. Г абов1, А.А.Новиков2, Н.А. Медведева1, М.А. Дерендяев1

1Пермский государственный национальный исследовательский университет. 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

2РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 119991, Москва, Ленинский пр-т., 65 E-mail: ma-sher74@mail.ru

Исследованы физико-химические характеристики смесей НПАВ словасол-255-синтанол-7: получены изотермы адсорбции на границе жидкость-газ, определены краевые углы смачивания, изучена их пенообразующая способность. Введение второго компонента увеличивает поверхностную активность смеси в сравнении с индивидуальными компонентами. Результатом является синергетический эффект улучшения функциональных свойств смесей. Изучение функциональных свойств водных растворов смесей НПАВ сло-васол-255-синтанол-7 показало, что данные ПАВ могут быть использованы для создания моющих композиций.

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества; адсорбция; краевой угол смачивания; солюбилизирующая способность; моющая способность

Согласно литературным данным [1, 2], синтанол-7 и словасол-255. Критерием отбора

при смешении НПАВ одного класса можно послужили результаты предварительных испы-

ожидать проявление синергетического эффекта таний, проведённые для ряда ПАВ [3]. Как сле-улучшения функциональных свойств. В связи с дует из данных табл.1, словасол-255 и синта-

этим для проведения испытаний были состав- нол-7 проявили наилучшие поверхностно-

лены модельные смеси, состоящие из НПАВ активные характеристики.

Таблица 1

Поверхностно-активные характеристики неионогенных ПАВ

ПАВ ®шт, ° ККМ, г/л а, мН/м G, м3/с2 Пенообразование

X Є С, г/л

Неонол АФ 9-12 40 0,3 35,6 0,121 100 5,0

Оксифос-Б 36 0,4 34,8 0,093 80 7,5

Синтанол-7 36 0,2 1,5 32,0 0,130 190 5,0

Синтанол-АЛМ 36 0,3 35,0 0,123 90 5,0

Лутензол АО-11 38 0,7 33,2 0,055 100 2,0

Словасол-255 33 0,4 1,0 29,6 0,540 20 2,0

Синтанол-2 36 0,5 29,2 0,085 15 5,0

Изотермы поверхностного натяжения снимали сталагмометрическим методом [3] при температуре 298±0,5 К в интервале концентраций 0-2 г/л. При концентрациях смесей выше 2

г/л были отмечены рост вязкости и оптической плотности растворов, а при концентрации ~20 г/л исследуемые системы представляли собой мутные гели, склонные к тиксотропным пре-

© Щербань М.Г., Габов А.Л., Новиков А.А., Медведева Н.А., Дерендяев М.А., 2012

102

вращениям. Величину поверхностной активно- щей ветви изотермы в области низких концен-сти исследуемых НПАВ оценивали по падаю- траций НПАВ, не достигающих ККМ:

0=ІїїгЙг) (1)

Результаты обработки изотерм поверхностного натяжения смесей НПАВ приведены в табл.2.

Таблица 2

Поверхностно-активные характеристики смесей неионогенных ПАВ

Состав раствора синтанол-7 :словасол-255, % мас. а мз/с2 ККМ, г/л стт1П, мН/м

0:100 0,54 0,4 1,00 29

20:80 0,62 0,12 0,25 25

80:20 0,68 0,12 0,50 26

100:0 0,13 0,13 1,50 32

Полученные результаты свидетельствуют об увеличении поверхностной активности в случае образования мицелл смешанного типа. Наряду с этим происходит смещение ККМ в область более низких концентраций по сравнению с индивидуальными ПАВ.

Краевые углы смачивания определяли методом пузырьков [3].

Как показал эксперимент, изменение краевого угла смачивания с ростом концентрации ПАВ не монотонно (рис.1). Введение НПАВ в водную среду даже в небольших концентрациях, как правило, понижает значение краевого угла (табл.3). На изотермах краевых углов смачивания смесей наблюдались два минимума, соответствующих разным типам мицелл, а значения краевых углов характеризовались значительно меньшим гистерезисом и от-

личались лучшей воспроизводимостью, чем аналогичные характеристики для индивидуальных веществ. Образование мицелл при ККМ и переход молекул ПАВ вглубь раствора при более высоких концентрациях ПАВ приводило к снижению краевого угла и его дальнейшей стабилизации.

Сдвиг значений ККМ смесей в сторону более низких концентраций, снижение краевого угла смачивания и более высокие значения поверхностной активности смесей НПАВ позволяют предположить рост их функциональных характеристик по сравнению с индивидуальными компонентами. В связи с этим были изучены солюбилизирующая и моющая способности смесей.

Методики измерений аналогичны [3]. Результаты измерений приведены в табл.4-6.

^ е

СПАВ, Г/Л

Рис.1. Изотерма краевого угла смачивания смеси НПАВ синтанол-7-словасол-255 в соотношении

20:80 % мас.

Таблица 3

Зависимость краевых углов смачивания водных растворов смесей НПАВ от концентрации. _________________Краевой угол смачивания на границе вода-стекло 80=55°____________________

Массовая доля Массовая доля

синтанола-7 в смеси, Ссмес^ г/ л 0, ° cos 0 синтанола-7 в смеси, Ссмеси, г/ л 0, ° cos 0

% %

20,0 35±2 0,819 10,0 36±2 0,804

10,0 41±2 0,755 5,0 41±2 0,755

5,0 46±3 0,694 2,0 45±2 0,701

2,0 44±3 0,713 1,0 41±2 0,749

1,0 44±3 0,719 0,5 44±2 0,719

0 0,5 45±2 0,707 100 0,2 42±2 0,743

0,2 37±1 0,793 0,1 44±2 0,725

0,1 33±2 0,839 0,05 45±2 0,707

0,05 37 0,799 - - -

- 34 0,829 - - -

- 51 0,629 - - -

- 48 0,669 - - -

2,0 35±3 0,819 2,0 44±2 0,713

1,0 33±1 0,838 1,0 39±2 0,771

80 0,5 35±1 0,819 20 0,5 32±1 0,848

0,2 25±3 0,906 0,2 42±2 0,743

0,1 38±2 0,788 0,1 36±2 0,809

0,05 34±2 0,829 0,05 33±2 0,839

2,0 38±3 0,788 2,0 45±3 0,707

1,0 36±2 0,809 1,0 41±2 0,754

75 0,5 33±2 0,838 25 0,5 33±2 0,838

0,2 28±3 0,882 0,2 40±3 0,766

0,1 38±2 0,788 0,1 37±2 0,798

0,05 36±2 0,809 0,05 35±1 0,819

Таблица 4

Солюбилизирующая способность смесей неионогенных ПАВ по отношению к олеофильному

красителю судан I

Содержание синтанола-7, % мас. С, г/л Солюбилизирующая способность, S, мг/г

0 5 1 0,5 13 2 0

20 0,5 380

0,2 78

0,1 40

25 2,0 38

1,0 22

0,5 11

0,2 7

75 2,0 20

1,0 8

0,5 7

0,2 1

80 0,5 0,2 0,1 67 30 30

100 10 0,5 1 0

Значения солюбилизирующей способности индивидуальных НПАВ невелики. Концентрации индивидуальных ПАВ, при которых наблюдается незначительная солюбилизация, значительно превышают значения ККМ сферических мицелл, приведенные в табл.1. Причиной этого является механизм солюбилизации, когда молекулы располагаются в наружной гидрофильной оболочке мицелл между беспорядочно изогнутыми полиоксиэтиленовыми цепями. В концентрированных растворах ПАВ (при с»ККМ) сферические мицеллы превращаются в термодинамически более стабильные пластинчатые мицеллы. Такой переход приводит к росту массы мицеллярного ядра, что вызывает увеличение внутримицеллярной растворимости красителя и, соответственно, рост солюбилизирующей способности. При этом также наблюдается качественное изменение коллоидной структуры раствора [1, 3].

Присутствие НПАВ в виде смеси вызывает резкий рост солюбилизирующей способно-

сти за счет образования мицелл смешанного типа [1].

Значения моющей способности индивидуальных НПАВ по отношению к маслу М20 составляют ~ 85^90 % уже при концентрациях

0,2^0,5 г/л. Именно при этих концентрациях смесей ПАВ происходит образование сферических мицелл в растворе.

Интерес вызывает тот факт, что для смесей НПАВ с ростом концентрации наблюдается спад моющей способности по отношению к маслу. Наиболее вероятная причина этого явления - рост числа агрегации и мицеллярной массы при увеличении содержания ПАВ в растворе. Следствием этого может являться утяжеление солюбилизационного комплекса и увеличение его адгезии к отмываемой поверхности. Результаты определения моющей способности по отношению к индустриальному маслу М20 представлены в табл.5, а по отношению к тяжёлому загрязнителю циатим-221 - в табл.6.

Таблица 5

Моющая способность смесей НПАВ по отношению к маслу М20

Концентрация смеси, г/л Моющая способность смесей НПАВ (%) при содержании синтанола-7 в смеси, % мас.

0 20 25 75 80 100

0,2 85±2 90±3 95±4 95±4 92±3 93±4

0,5 92±3 85±3 80±3 97±3 94±5 91±3

1,0 96±4 70±4 74±3 79±5 75±5 87±5

2,0 95±4 95±3 91±4 90±3 95±2 91±2

Таблица 6

Моющая способность смесей НПАВ по отношению к смазке циатим-221

Концентрация смеси, г/л Моющая способность смесей НПАВ (%) при содержании синтанола-7 в смеси, % мас.

0 20 25 75 80 100

0,2 4±1 55±5 65±5 35±5 50±7 6±2

0,5 20±2 66±7 75±7 40±5 16±4 10±2

1,0 22±3 25±5 80±9 60±6 30±4 12±1

2,0 25±1 62±6 85±6 60±6 70±6 16±2

При отмывке тяжёлых загрязнителей, к которым относится циатим-221, использование смесей приводит к значительному росту моющей способности. Полученные результаты имеют значительный разброс, однако общей является тенденция увеличения моющей способности с ростом концентрации ПАВ, когда солюбилизация происходит в пластинчатых мицеллах. Низкая воспроизводимость результатов наиболее вероятно связана с образованием первоначально аморфным циатимом-221 с моющим раствором солюбилизационных комплексов, которые, аналогично [4], имеют кристаллическую структуру, а также обладают загущающим действием по отношению к смазкам [5], что усиливает адгезию комплексов к отмываемой поверхности.

Выводы

1. Полученные результаты свидетельствуют о том, что функциональные свойства НПАВ и их бинарных смесей определяются величинами ККМ и способностью адсорбироваться на межфазной границе.

2. Исследованные смеси снижают поверхностное натяжение на границе вода-воздух более чем в два раза. Присутствие второго компонента снижает значения ККМ и краевых углов смачивания, увеличивает поверхностную активность смесей по сравнению с индивидуальными компонентами за счёт образования мицелл смешанного типа.

3. Изученные бинарные смеси неионогенных ПАВ могут служить основой для создания технических моющих средств.

Исследования выполнены при финансо- 3. вой поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Библиографический список

1. Холмберг К., Йёнссон Б., Кронберг Б. и др. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 528 с.

2. Щербань М.Г., Радушев А.В., Насртди- 5. нова Т.Ю. и др. Коллоидно-химические свойства в ряду 1,1-диметил-1-алкилгидразиний хлоридов // ЖПХ. 2004.

Т.77, вып. 11. С. 1861-1864.

Щербань М.Г., Плотникова М.Д., Медведева Н.А. и др. Исследование поверхностно-активных и функциональных свойств неионогенных ПАВ // Вестник Перм. унта. Сер. «Химия». 2011. Вып. 3(3). С. 6676.

4. Кудряшова О.С., Кудряшов С.Ф., Щербань М.Г. Растворимость в системе «ок-сифос Б—скипидар—уайт-спирит—вода» // Химическая промышленность. 2001. №4. С.33-37.

Вигдорович В.И., Шель Н.В., Софронова Н.В. Многофункциональная маслорастворимая антикоррозионная присадка гидра-зекс-89 // Защита металлов. 1996. Т.32, №3. С.319-324.

INVESTIGATION OF SURFACE-ACTIVE AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF BINARY MIXTURE OF A NONIONIC SURFACTANTS M.G. Scherban1, A.L. Gabov1, A.A. Novikov2, N.A. Medvedeva1, M.A. Derendyaev1

'Perm State University. 15, Bukirev st., Perm, 614990

2Gubkin Russian State University of Oil and Gas. 65, Leninsky prospect, Moscow, 119991 E-mail: ma-sher74@mail.ru

Surface-active and functional properties nonionic surfactants (Slovasol-255 and Sintanol-7) were investigated: adsorption isotherms were obtained at boundary of the liquid-gas, contact angles were defined, their foaming capacities were studied. The introduction of the second component increases the surface activity of the mixture as compared to the individual components. The result is a synergistic effect of improving the functional properties of the blends. Study of the functional properties of aqueous solutions of mixtures of nonionic surfactant Slo-vasol-255 - Sintanol-7 showed that these surfactants can be used to create a detergent compositions.

Keywords: surfactant; adsorption; contact angle; solubilization; detergency