CC BY
81
Амирсаидов Т.Е.1, Маматов М.М.2 ©
1 К.х.н., Главный инженер ПИИ ООО «PRIME SOPONE» (Узбекистан,Ташкент),
2 Научный соискатель, Бухарский инженерно-технический институт высоких технологий
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЫЛ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕННОГО
ХЛОПКОВОГО МАСЛА
Аннотация
В рамках данной статьи исследуется создание модифицирующей добавки на основе выделенного сапонина из солодкового корня и модификатора улучшенной структуры кристаллов в молекулах мыла на основе гидрогенного хлопкового масла.
Ключевые слова: мыло, солодка, сапонин, модификация, пенообразование.
Keywords: Soap, sweet, saponin, modification, foaming.
В настоящее время качественные показатели и потребительские свойства качественного твердого мыла регламентированы требованиями действующего ГОСТ 28546-2002 «Мыло туалетного твердое. Общие технические условия», TSH 86-22:2009, отраслевые технические условия.
Действующие методике определения данных показателей приведены в ГОСТ 790-89 «Мыло хозяйственное твердое и мыло туалетное. Правила приемки и методы испытаний».
Нами была поставлена задача создания модифицирующей добавки на основе выделенного сапонина из солодкового корня в качестве ценного пенообразователя и модификатора улучшенной упаковки структуры кристаллов в молекулах мыла. Солодка голая - Glycyrrhiza glabra L. и солодка уральская - Glycyrrhiza uralensis Fisch.Солодка голая распространена на Северном Кавказе и в Восточном Закавказье, Западном Казахстане, особенно много ее в бассейне р. Амударьи, начиная с притоков, впадающих в нее в Таджикистане и до Аральского моря. В Средней Азии и в Закавказье в основном произрастает типичный голоплодный вид солодки. В барханных песках Западного Казахстана более часто встречается солодка с шиповато железистыми бобами. Солодка (голая) - многолетнее травянистое растение со стеблями высотой обычно до 1 м (в ряде экологических сообществ до 2 м), древеснеющее к концу лета. Как у большинства типичных обитателей полупустынь и степей, подземная масса (многоглавые корневище и глубоковнедряющийся корень) несравнимо превышает массу стеблей.
В корнях и корневищах всех официальных видов солодки находится сапонин глицирризин (Р-амириновый тип), представляющий собой калиевую и кальциевую соли глицирризиновой кислоты. Агликоном глицирризиновой кислоты является одноосновная (30-СООН) глицирретиновая кислота с характерной для нее кетогруппой в 11-м положении. Сахаристая часть представлена 2 молекулами глюкуроновой кислоты. Содержание глицирризиновой кислоты в корнях и корневищах солодки колеблется в широких пределах от 8 до 24%.
Сапонины (от лат. sapo, родительный падеж saponis — мыло), сложные органические безазотистые соединения из группы растительных гликозидов. Сапонины -высокомолекулярные сложные органические соединения гликозидного характера, обладающие специфическими свойствами. При кислотном или ферментативном гидролизе сапонины расщепляются на моносахариды (одну или несколько молекул) и неуглеводную часть — агликон (сапогенин). В зависимости от химического строения агликона различают тритерпеноидные сапонины, (агликоны — тритерпеноиды) и стероидные сапонины (агликоны — стероиды). Характерное свойство сапонинов —
© Амирсаидов Т.Е., Маматов М.М., 2012 г.
способность давать, подобно мылам, легко пенящиеся коллоидные растворы. Именно их составляющие встречаются в корнях и приземных стеблях широко культивируемого растения в средней Азии. Частицы состоящие из сапонина поглощают и рассеивают свет в ультрафиолетовом спектре. В отличие от наночастиц оксида цинка и оксида титана, соединения солодки не поглощают и не рассеивают свет видимой части спектра. В составе мыла они не заметны. Спектрофотометрические исследования свойств показали, что поглощение УФ между длинами волны 400 нм и 280 нм было гораздо лучше, чем у диоксида титана.
Помимо увеличенного пенообразования в твердом туалетном мыле сапонины из солодки обладают ещё дополнительным свойством, а именно большим эффектом мицеллообразования и Р-модификации. Вопрос о полиморфизме натровых мыл, который неоднократно поднимался и исследовался в нашем эксперименте показал, что существование четырех полиморфных модификаций а-альфа, Р-бета, 5-дельта и ю-омега. Проявление преимущественно в бета модификации в товарном мыле отражается в ярко выраженных физических свойствах мыла. Свое отражение нашло подтверждение о сдвиге границы температурных области в которой стабильна полиморфная модификация мыла состоящая из смеси нейтрального жира саломаса с титром 420С и экстракта солодки. В ходе получения мыла полученного путем сушки в ВСУ при перемешивании и последующей пластической обработкой требуемая модификация получается даже без механической обработки, так как при добавлении водной вытяжки сапонинов Р-модификация становится стабильной. Так выявлено, что для мыла с содержанием воды 26-32% сваренного из смеси 10% пальмового масла, 10 % стеарина и 80 % саломаса критическая температура завершения образования Р-модификация происходит при температура 870С. Так при пилировании с отводом избыточного тепла, выделяемого при трении и теплоты полиморфного превращения, происходит образование прозрачной твердой мыльной массы. Как подтверждается Б.Н. Тютюнниковым это образование изотропное [1,478]. Нами подтверждается, что добавление экстракта сапонинов в мыло приводит к образованию равномерной структуры кристаллов мелкой структуры, что при последующем высушивании позволяет получать мыльную массу преимущественно с содержанием Р-фазы. Эта модификация наиболее ценна из-за малого набухания в воде, причем на поверхности куска, в отличие от традиционных мыл, не образуется мягкий слизистый слой. Мыло при использовании экономно расходуется и при этом образуется значительно больше пены, которая долго не опадает.
В ходе исследований были изучены различные варианты концентраций экстрактов при одинаковом рН в композиции с различными загустителями варьировавшие пластичность мыл. Образцы показали отраженные зависимости по изменению пенообразования.
Так содержание основного вещества в пенообразователе универсального мыло составляет 15%, а пенообразователе хозяйственного мыло 10%. При повышении концентрации сапонина в данном составе наблюдается возрастание пенообразования при небольшом увеличении концентрации. Большой интерес представляют составы экстрактов, в которых содержатся загустители КМЦ и полисахариды. Экспериментально установлено, что для улучшения стабильности раствора и последующего его введения для пенообразования они необходимы. Проявление синерезиса наблюдается между структурнорасположенными группами сапонинов и загустителями, обладающими гидрофильными функциональными группами.
Проявления этого основывается также на более плотной упаковке молекул мыла как следствие улучшенной пластичностью куска. Сапонины значительно увеличивают упаковку молекул при содержании жировой смеси 67%-72%.
Моющая способность натурального мыла зависит от многих факторов. Одним из основных объясняющих это свойство является электрокинетический потенциал очищаемой поверхности маслозагрязнения. Поверхность загрязнения имеет отрицательный заряд, то отрицательные ионы гидроксида и солей присутствующие в растворе при намыливании способствуют увеличению заряда поверхности и отсюда сил отталкивания одноименно заряженных частиц, как следствие происходит нарушение связи между соприкасающими поверхностями субстрата и твердого загрязнения следствия более легко удаление. При воздействия щелочей происходит частичное омыление жиров, которые являются основой гидрофобных загрязнений. Образующиеся продукты в отличие от исходных веществ хорошо растворимы и легко удаляются.
Рецептуры мыл с их целевой направленностью содержат различные вариации жир-щелочь. Смещение соотношения щелочи в сторону повышения может приводить, как к разложению материалов поверхности, в случае с мылом повышенном шелушением кожных покровов, с вызыванием дерматитов, а снижение приводит моющей способности мыл (эффект засаливания). В качестве щелочных компонентов используются основания и гидролитические щелочные соли. При растворении этих соединений в жире и воде протекают реакции диссоциации и гидролиза с образованием гидроксидионов, из которых основное значение имеют константы гидролиза мыла. Одним из представителей является силикат натрия, который обладает многофункциональным действием как щелочного характера так и буферными свойствами. Действие силиката совместно с пенообразователем предохраняет очищаемую поверхность от повторного осаждения загрязнения.
При разработке рецептуры и производстве новых видов мыл на натуральной основе в первую очередь рассматривали аспекты создания полноценных композиций с улучшенными потребительскими свойствами с возможностью снижения содержания твердых триглицеридов и тропических масел за счет его одновременной активации мыло-пено образующими добавками. Наиболее важным моментом является высокая пенообразующая способность, смачивание поверхности в купе со стабильностью и неопадаемостью пены во времени в мыльных растворах. Для обеспечения этих свойств необходимо добавлять высокоэффективные стабильные компоненты регулирующие характеристики готовой продукции. В качестве модификаторов использовались как органические, так и неорганические вещества: ПАВ, силикаты, полисахариды (КМЦ).
Пенообразующая способность определяется количественно объемом (в мл, см3) или высотой столба -пенным числом (в мм, см) пены, образующейся из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. Устойчивость пены - способность сохранять первоначальный объем, дисперсный состав и препятствовать выделению жидкости. Количественно устойчивость пен оценивают по времени уменьшения или разрушения первоначального объема или высоты слоя пены, например 50% обозначая это время как период полураспада.
Изначально пена после ее образования весьма неоднородна как по дисперсности пузырьков газа и их форме , так и толщины пленок они бывают двух типов: толстые и тонкие. Толстые пленки (толщина »10-5 м) внутри имеют слой жидкости, обладающий всеми свойствами жидкой фазы. Тонкие пленки (толщина »10"6 м) образованы только поверхностными слоями из молекул ПАВ, продуктов их электролитического распада (анионы, катионы), связанных с ними сольватно - гидратных оболочек и других веществ, входящих в состав дисперсионной среды. При значительном утончении пленок до толщины (0,4-0,6-10"9 м) они переходят в критическое или так называемое местабильное состояние, при котором становится почти невидимыми вследствие несоизмеримо малой толщины пленки по сравнению с длиной волн видимой части спектра света. Такие пленки принято называть «черными»; при дальнейшем утончении они разрываются. В результате
истечения жидкости из объема пены в процессе все свободного стекания под действием силы тяжести и перепада гидростатического давления происходит уменьшение общего объема фаз и образование пены двух типов с разным содержанием жидкости: «сухой» пены вверху слоя «влажной» пены внизу слоя. По мере истечения жидкости из пленок сухой пены они постепенно истончаются, и становится плоскопараллельными. Эти пленки в зависимости от формы пузырька сходятся между собой: либо под углом 1200 , образуя треугольные капиллярные каналы с вогнутой поверхностью стенок, которые принято называть границами, либо под углом 109,47° в вершине тетраэдра с образованием узла с четырьмя каналами.
Показатель «первоначальный объем пены, см3», мало информативен и не может служить количественным критерием моющего действия. Причем, методика его определения, заключающаяся во встряхивании разбавленного (0,5-1,0%) раствора мыла, не соответствует условиям образования пены при традиционным использовании кускового мыла и не связана с параметрами его моющей способности.
Основной характеристикой пены является её устойчивость. Для количественной оценки в основном используется инструментальные методы. Данный вид анализа не позволяет полноценно проводить измерения пенообразования и её устойчивости. Структурно пенный слой рассматривается как монодисперсная система, состоящая из пузырьков газа в форме петагональных додекаэдров с перегородками (стенками) в виде подвижных двухсторонних граней. Причем угол схождения, которых находится под углом 120°. В промежутках между гранями образуются треугольные капиллярные каналы с вогнутой боковой поверхностью (каналы Плато). Опадение ячеек происходит за счет истечения жидкости из пены. При образовании пены в открытой системе её слой находится под действием сил поверхностного натяжения, сил тяжести и капиллярной прочности. Высота слоя пены и размер пузырьков увеличивается, до того момента пока не наступит равновесие между силами атмосферного давления, подъёмной силы Архимеда и выталкивающей силы создаваемого капиллярным давлением в каналах Плато. Согласно опубликованным данным устойчивость пены оценивается показателем устойчивости равный доле высоты пены, оставшийся о первоначального объёма высоты по истечении 5 мин и должен быть не мене 0,8.
УП^т^0=НтШ0>0,8
где ^, Н0 - первоначальный объём (высота) слоя пены, VT,HT - установившегося по истечении времени Т.
Величина высоты установившегося слоя пены за истекшее время разрушения выводится из формулы:
НТ=Н0е"кт , (Т<1 мин) где к-константа скорости разрушения пены, мин-1.
Величину константы скорости определяем по формуле
К=0,475 Г0125 , мин"1.
где Г -удельная концентрация ПАВ в адсорбционном слое пленки жидкости кг/м2 . Данные точные характеристики пен подтверждают оценку кинетики процессов устойчивости и опадания пены [2,146].
Результаты исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика пен в различных мылах
Виды мыла Показатели
Устойчивос ть пены, УП Высота, Но, мм Высота, Нт, мм Скорость разрушения , сек Жесткость воды, мг-экв/л
Эталонное мыло 42 1 42,0 60 10
Туалетное мыло 41,6 1,2 50,0 60 10
Туалетное мыло 38,3 1,2 46,0 60 12
Универсальное мыло 33,3 0,9 30,0 60 10
Универсальное мыло 37,3 0,9 33,6 60 12,2
Как показано устойчивость пены при добавлении сапонина, даже в условиях повышенная жесткости полученного мыла проявляют свойства с хорошим пенообразованием.
Для полного учета и снятия характеристики для образцов мыл провели исследования на физико-механические свойств и оргонолептику. Результаты, которых проведены в таблице 2. [3,3;4,2]
Таблица 2. Результаты проведения испытаний образца: Мыло универсальное
твердое 72%-ное, 4х200 гр.
№ п/п Наименование показателей Значение показателей Соотв. Показа.
TSH 86-22:2009. Обр. № 1
1 Внешний вид Куски мыла прямоугольной и овальной формы Куски мыла прямоугольной и овальной формы Соотв.
2 Консистенция Мыло твердое на ощупь Мыло твердое на ощупь Соотв.
3 Цвет От светло-желтого до желтого Светло-желтого цвета Соотв.
4 Запах Специфический мыльный Специфический мыльный Соотв.
5 Качественное число (масса жирных кислот в пересчете на номинальную массу куска 100 г.), г, не менее 59,0 72,2 Соотв.
6 Массовая доля свободной едкой щелочи, % к номинальной массе куска, не более 0,20 0,13 Соотв.
7 Массовая доля свободной углекислой соды, % к номинальной массе куска, не более 1,0 0,6 Соотв.
8 Температура застывания жирных кислот, выделенных из мыла (титр), 0С 36-42 40,5 Соотв.
9 Массовая доля неомыляемых органических веществ и 3,5 2,3 Соотв.
неомыленного жира, % к массе жирных кислот, не более
10 Первоначальный объем пены, см3 , не менее 430 440 Соотв.
11 Массовая доля примесей, нерастворимых в воде, % к номинальной массе, не более 0,50 0,34 Соотв.
Таким образом экспериментально получен пенообразующий модификатор на основе экстрактов солодки. Процесс технологически прост в изготовлении и производстве, работает при низких концентрациях. Концентрат экстракта может легко применяться в рецептурах мыл общего бытового назначения с хорошими потребительскими свойствами продукт биоразлагаем и достаточно универсален. Преимущество этого сырьевого компонента в том, что при наличие функции пенообразования в щелочных составах, продукт осуществляет функцию матрицы для упаковки макромолекул, что в свою очередь позволяет более плотно сформировать брусок мыла, который отличается более повышенной пластичностью с хорошей сопротивляемостью к истиранию и набуханию.
Литература
1. Тютюнников Б.Н. «Технология переработки жиров » Москва 1970 г. с 470-563
2. Санова Л.А., Дронникова Т.В., конференция «Масложировая индустрия» Кинетика процессов разрушения и устойчивости пен шампуней. С-Петербург 2011 г., с. 146
3. ГОСТ 28546-2002, «Мыло туалетное», -С. 2-10.
5. TSH 86-22: 2009 «Техническая условия»,-С. 1-4.
