CC BY
46
УДК 666.97
Е. В. ГУРОВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ БЕЛКОВЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ_
В данной работе показано преимущество применения белковых поверхностно-активных веществ в строительной промышленности, в частности, при производстве технической пены для изготовления пенобетона неавтоклавного твердения. Представлены результаты экспериментальных исследований поверхностных свойств белковых ПАВ и установлен характер зависимости поверхностного натяжения от концентрации водного раствора белкового кератинсодержащего гидролизата. Указывается на взаимосвязь величины поверхностного натяжения и пенообразующей способности белковых растворов.
В настоящее время одним из эффективных и экономичных материалов для гражданского строительства является пенобетон неавтоклавного твердения на основе местного сырья. Существенное влияние на развитие его производства оказало повышение требований к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций, переход на малоэтажное строительство, сокращение объемов крупнопанельного строительства многоэтажных зданий. Пенобетон может быть использован как материал для стеновых ограждающих конструкций, а также он обладает улучшенными теплоизоляционными свойствами.
Для получения пенобетона неавтоклавного твердения необходимы качественные пенообразователи. Многие отечественные пенообразователи наряду с высокой пенообразующей способностью характеризуются, как правило, низкой стойкостью пенобетон-ной массы, приводящей к расслоению материала и разрушению его ячеистой структуры [1,2]. Высококачественные зарубежные пенообразователи (например, «Неопор») являются дорогостоящими.
Наиболее перспективными пенообразователями для производства неавтоклавного пенобетона, на наш взгляд, являются белковые композиции. Белки -это высокомолекулярные поверхностно- активные соединения, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределенные по всей длине полимерной цепи. По классификации поверхностно-активных веществ (ПАВ), в основу которой был положен механизм их действия, П.А. Ре-биндер относил белки к группе структурообразных ПАВ с эффективным стабилизирующим действием по отношению к дисперсным системам различной природы [3]. Для повышения устойчивости пен обычно применяют стабилизаторы, придающие механическую прочность пленкам пены. Высокомолекулярные соединения, в том числе и белки, называются защитными коллоидами и сами являются стабилизаторами дисперсных систем. Следовательно, белковые ПАВ способны образовывать более долговечную пену на воздухе и в цементном тесте по сравнению с синтетическими. Так как размеры белковых молекул соответствуют размеру коллоидных частиц, I то растворы белка имеют характеристику коллоид-
ныхрастворов. Благодаря своим коллоидно-химическим свойствам, способности смешиваться с водой в любых соотношениях и понижать поверхностное натяжение при растворении в воде, белковые растворы могут найти широкое применение в строительной промышленности, в частности при производстве технической пены для изготовления пенобетона неавтоклавного твердения. Однако широкое применение белковых ПАВ сдерживается недостатком информации по данному вопросу.
Как известно, пена образует до 80% пустот в пенобетоне, поэтому главными факторами, определяющими качество готовой продукции, являются свойства пенообразователя и полученной из него пены. Способность пенообразования обуславливается адсорбцией ПАВ в поверхностном слое раствора на границе жидкости и воздуха. Пониженное поверхностное натяжение таких растворов облегчает образование пленок пены и препятствует их разрушению. Свойство белков понижать поверхностное натяжение при растворении в воде известно давно. Все растворы белков легко вспениваются даже при слабом встряхивании. Для количественной характеристики поверхностной активности белков необходимо располагать концентрационными изотермами поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации является основными экспериментальными данными для описания свойств ПАВ. Для белков изотермы поверхностного натяжения еще мало изучены, несмотря на практическую важность этого свойства. Сведения о поверхностном натяжении белков немногочисленны, имеющиеся данные относятся, в основном, к наиболее доступным белкам [4].
В качестве технического пенообразователя нами был исследован щелочной гидролизат белкового кератинсодержащего сырья, полученный при определенных технологических параметрах. Были определены основные свойства белковых растворов, полученных на основе гидролизата. В частности исследовалась зависимость поверхностного натяжения растворов от концентрации белка, так как многими исследователями установлена взаимосвязь качества пены и этих параметров.
70
ё | 66
И
§ 62
58
11
ш? III
7 10 13 16 19 22 25 концентрация ПАВ, %
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 концентрация ПАВ, %
3 5 7 9 И 13 15 17 19 21 23 25 | концентрация ПАВ,% |
1 3 5 7 9 1I 13 15 17 19 21 23 25 концентрация ПАВ,%
Рис.1. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов белковых гидролизатов при различных показателях рН среды: а) прирН 9; б) прирН 11; в) при рН 11,5; г) при рН 12.
Так как молекулы белков имеют дифильное строение и включают большой углеводородный радикал, белковые ПАВ отличаются высокой поверхностной активностью по отношению к воде. Это отражает сильную зависимость водного раствора от концентрации ПАВ. Причем концентрация растворов, начиная с которых наблюдается резкое уменьшение поверхностного натяжения, различна для разных белков. При малых концентрациях ПАВ в растворе поверхностное натяжение снижается резко, но с ростом концентрации степень его снижения уменьшается и поверхностное натяжение стремится к постоянному значению [4,5]. Это подтвердили проведенные эксперименты.
Готовились водные растворы белковых гидролиза-тов. Характер зависимости поверхностного натяжения от концентрации водного раствора гидролизата четко прослеживался при различных параметрах гидролиза (состав, температура и продолжительность процесса). Было установлено, что для большинства проверенных водных растворов, при малых концентрациях гидролизата кератинсодержащего сырья, поверхностное натяжение снижается резко. С дальнейшим ростом концентрации белкового ПАВ снижение поверхностного натяжения идет не так интенсивно, как ранее. Поверхностное натяжение стремится к постоянному значению в области приблизительно 20%-ной концентрации водного раствора кератинового гидролизата. Можно предположить, что при данной концентрации в поверхностном слое образуются отдельные островки плотного монослоя, которые в ходе теплового движения передвигаются по поверхности значительно медленнее, чем отдельные молекулы белка. Вследствие этого поверхностное натяжение раствора больше не понижается. Минимальная величина поверхностного натяжения водных растворов кератиновых гидролизатов - 52 мДж/м2.
Поверхностное натяжение растворов гидролизата кератина зависит также от конформации белков в растворе. Наконформацию кератина существенное влияние оказывает водородный показатель среды, температура и продолжительность гидролиза. Анализируя изотермы поверхностного натяжения кератиновых растворов, необходимо отметить следующее. Увеличение щелочности среды характеризуется уменьшением предельного значения поверхностного натяжения. Так, при рН 9 поверхностное натяжение растворов снижается на 17%; при рН 11 -на 22%; при рН 11,5 и рН 12- на 23 и 26% соответственно. Также оценивалось влияние температуры гидролиза на величину поверхностного натяжения. Полученные результаты показали, что большее снижение поверхностного натяжения отмечено у растворов кератиновых гидролизатов, которые были получены при более высоких температурах.
Влияние концентрации белковых кератинсодер-жащих ПАВ на поверхностное натяжение водных растворов можно оценить по рис. 1.
Поверхностное натяжение белкового пенообразователя определяли сталагмометрическим методом (в основе метода лежит условие отрыва капли жидкости под действием собственного веса) [6].
В литературе относительно зависимости между пенообразующей способностью, устойчивостью пен и поверхностным натяжением растворов имеются различные точки зрения [7]. Известно, что одноком-понентные жидкости устойчивой пены практически не образуют, поскольку такая пена термодинамически неустойчива. С уменьшением поверхностного натяжения раствора в присутствии ПАВ его пенооб-разующая способность должна возрастать и тем в большей степени, чем меньше величина поверхностного натяжения. Пенообразование тем легче и пена устойчивее, чем ниже поверхностное натяжение и
чем прочнее адсорбционный слой раствора ПАВ. В большинстве случаев наилучшую пенообразующую способность имеют растворы ПАВ с минимальной величиной поверхностного натяжения. Этот вывод неоднократно подтвержден экспериментально различными исследователями (Бэрч, Ребиндер). Однако также есть мнение, указывающее на то, что не существует определенной зависимости между поверхностным натяжением и пенообразующей способностью растворов (Оствальд, Штейнер).
Достаточно сложными, особенно в теоретическом аспекте, являются вопросы, относящиеся к устойчивости пены. В настоящее время нет единой теории объясняющей устойчивость пен. Изменение стабильности пены с ростом концентрации ПАВ некоторые исследователи связывают с насыщением адсорбционного слоя и изменением его вязкости (Ше-лудко, Эксерова, Канн). С другой точки зрения, максимальная устойчивость пен наблюдается при концентрациях ПАВ более низких, чем те, при которых достигаются насыщенные адсорбционные слои (Зон-таг, Штренге). В то же время существует мнение, что устойчивость обладает четко выраженным максимумом, лежащим в области малых концентраций (Бэрч). Установлено также, что характер зависимости устойчивости пены от концентрации определяется свойствами ПАВ, и в частности их растворимостью (Ребиндер).
Высокомолекулярные ПАВ образуют структуры, замедляющие разрушение пленок пены. Полученные результаты показали, что для белковых кератинсо-держащих растворов наблюдается непрерывное возрастание устойчивости пены с увеличением концентрации. Полученные пены сохраняются в течение длительного времени.
Установлено, что низкое поверхностное натяжение - недостаточное условие для образования в системе пены. На процесс ценообразования и устойчивость пены оказывает влияние ряд таких факторов, как структурно-механические свойства поверхност-
ных слоев, дисперсность пены, строение молекул ПАВ, длина пептидной цепи, длина углеводородного радикала, температура и вязкость раствора, водородный показатель среды и многие другие [7]. Это дает возможность дальнейшего исследования поверхностных явлений в белковых растворах.
В настоящее время на белковый пенообразователь разработаны ТУ 0258-001-03894386-99. Пенообразователь белковый «Белпор-Юм» и получен гигиенический сертификат. На предприятиях города освоено изготовление блоков стеновых мелких из пенобетона неавтоклавного твердения с использованием данного пенообразователя.
Библиографический список
1. Иваницкий В.В., Бортников A.B., Гаравин В.Ю., Бутаков А.И. Новый вид пенообразователя для производства пенобетона // Строительные материалы, 2001, №5.
2. Прошин А.П., Еремкин А.И., Береговой В.А., Королев Е.В., Береговой AM., Краснощеков A.A., Соболев С В., Лямов A.A. Ячеистый бетон для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и инженерных коммуникаций // Строительные материалы, 2002, №3.
3. Ребиндер П. А Поверхностно-активные вещества. - М: Знание, 1961. - 46с.
4. ИзмайловаВ.Н.,ЯмпольскаяГ.П., СуммБ.Д. Поверхностные явления в белковых системах. - М.: Химия, 1988. -240с.
5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.; Химия, 1988. - 464с.
6. Практикум по физической и коллоидной химии: Н.В. Бугре-ева, К.И. Евсгратова, H.A. Купина и др.; ПодредК.И. Евстратовой. -М.: Высш. шк., 1990. - 255с.
7. БорсукП.А.,АяссА.М,Жидкие самотвердеющие смеси. -М.: Машиностроение, 1979. -255с.
ГУРОВА Елена Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Дорожное и строительное материаловедение».
Монографии и статьи в научных журналах и сборниках статей, опубликованные в 2003 году в российской печати
1. Гагауз В.П., Громов В.Е., Коваленко В.В., Попова H.A., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Градиентные структуры и фазовый состав толстых сварных швов // Материаловедение. 2003. № 1. С. 40-43.
2. Гагауз В.П., Иванов Ю.Ф., Коваленко В.В., Громов В.Е., Козлов Э.В. Электронно-микроскопический дифракционный анализ структурно-фазового состояния сварного шва стали 09Г2С // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2003. № 10. С. 73-78.
3. Гагауз В.П., Целлермаер В.Я., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Козлов Э.В. Структура кристаллизации ферритной стали, формирующаяся в процессе сварки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2003. №2. С. 48-50.
4. Гнюсов С.Ф., Иванов Ю.Ф., Ротштейн В.П. Поверхностная и объемная модификация мартанцовистой стали низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком // Физика и химия обработки материалов 2003. № 1.С. 16-21.
5. Гнюсов С.Ф., Тарасов С.Ю., Иванов Ю.Ф., Ротштейн В.П. Влияние импульсного электронно-лучевого плавления на микроструктуру и трибототехнические свойства твердого сплава WC-сталь 110Г13 // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 4. С. 19-27.
6. Иванов Ю.Ф., Соснин О.В., СучковаЕ.Ю., Громов В,Е„ Козлов Э.В. Электропластификация закаленной углеродистой стали // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6. № 6. С. 18-24.
7. Иванов Ю.Ф., Юрьев А.Б., Коваленко В.В., Плевков A.B., Громов В.Е., Козлов Э.В. Структурные и фазовые превращения при термоупрочнении стали методом прерванной закалки // Известия академии наук. Серия физическая. 2003. Т. 67. № 10. С. 1402-1407.
8. Иванов Ю.Ф., Юрьев А.Б., Плевков A.B., Громов В.Е., Козлов Э.В. Морфология градиентной структуры термоупрочненной арматуры из стали 18Г2С // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия 2003. № 10. С. 57-61.
