Исследование взаимодействия поверхностно-активных веществ в мицеллярных растворах смесей натриевой соли сульфата эфира алкилфенола и алкиларилсульфоната натрия и их использование для синтеза латексов графт-сополимеров Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.777

А.С. Высоковский, И.С. Коротнева

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В МИЦЕЛЛЯРНЫХ РАСТВОРАХ СМЕСЕЙ НАТРИЕВОЙ СОЛИ СУЛЬФАТА ЭФИРА АЛКИЛФЕНОЛА И АЛКИЛАРИЛСУЛЬФОНАТА НАТРИЯ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА ЛАТЕКСОВ ГРАФТ-СОПОЛИМЕРОВ

(Ярославский государственный технический университет) e-mail: vysokovskiyas@ystu.ru; korotnevais@ystu.ru

Исследовано взаимодействие анионных поверхностно-активных веществ в бинарных системах. Рассчитан параметр межмолекулярного взаимодействия, показана его независимость от состава смеси эмульгаторов. С использованием исследованных комбинаций поверхностно-активных веществ проведен синтез латексов графт-сополимеров.

Ключевые слова: параметр межмолекулярного взаимодействия, смешанные мицеллы, синергизм, графт-сополимеры

Настоящая работа является продолжением цикла работ, посвященных исследованию процесса синтеза латексов графт-сополимеров на основе бутадиена-1,3, стирола и акриловых мономеров [1]. Одними из основных компонентов традиционных рецептов эмульсионного синтеза полимеров остаются поверхностно-активные вещества (ПАВ), часто используемые в виде различных комбинаций. ПАВ оказывают существенное влияние не только на кинетику процесса, устойчивость эмульсии мономеров в воде и стабилизацию коллоидной дисперсии, но и на механизм формирования латексных частиц.

В работе использовали смеси двух анио-нактивных ПАВ - DISPONIL AES 63 (натриевой соли сульфата эфира алкилфенола) и сульфонола НП-3 (алкиларилсульфоната натрия).

Условием проявления синергизма в бинарных смесях ПАВ является отрицательное значение параметра межмолекулярного взаимодействия (в) в процессе мицеллобразования, что указывает на наличие сил притяжения между молекулами ПАВ. Положительные значения в, наоборот, говорят об отталкивании молекул ПАВ (антагонизме процесса мицеллообразования).

Любая смесь ПАВ не является идеальной системой при ненулевом значении энергии Гиб-бса. Предполагается, что в бинарных системах дополнительная энергия Гиббса может быть выражена как:

§Е = Хш , Хш , К , т

где Х1т и Х2т - мольные доли ПАВ в смешанной

т

мицелле, в - параметр взаимодействия, Я - газовая постоянная, Т - температура [2].

Параметр взаимодействия вт для смеси анионактивных эмульгаторов DISPONIL AES 63 и Сульфонол НП-3 сначала определяли с использованием термодинамического подхода Рубина [2], в

основе которого лежит применение теории регулярных растворов к мицеллам по уравнению, связывающему значения ККМ отдельных ПАВ (С1 и С2) и смешанной системы (С ):

(

(Xm )2 • ln

C • xl

c^X;

(1 -Xm)2 • ln

ln

Pm =-

C • (1 - x;)

_ с 2 • (i - x m).

C * • x,

= 1

C • xm

(1)

(2)

(1 - Xm )2

где ХГ - мольная доля DISPONIL AES 63 в смешанной мицелле; х1 - мольная доля DISPONIL AES 63 в смеси эмульгаторов.

Уравнение (1) решали итеративно относительно Х1т. При подстановке Х1т в уравнение (2), рассчитывали значения /в".

В результате расчета получены рт в пределах от - 1,3 до - 5,7 в зависимости от состава смеси ПАВ. Зависимость рт от состава смеси алкилпо-лиглюкозидов и анионных ПАВ, установленная в работах Прохоровой Г.В. и Глухаревой Н.А [3, 4], объяснялась более сложным поведением компонентов в смешанных мицеллах, чем предсказывает теория регулярных растворов. Однако параметр вт не может зависеть от соотношения компонентов в смеси ПАВ [5], так как он имеет тот же смысл, что и параметр растворимости %, определяемый разностью энергий взаимодействия молекул двух видов и температурой. Возможно, такое искажение результатов возникло вследствие того, что термодинамический подход Рубина не учитывает химической природы ПАВ [5]. Поэтому для получения более достоверных результатов произведен расчет вт в исследуемой системе ПАВ с использованием более сложного анализа, позволяющего учитывать

60

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013 том 56 вып. 9

природу молекул по уравнениям [5]:

с* = xj • fm • с + xj • fm • c2.

ln fm = (Xm )2 •Pm. ln f^ = (Xm)2 • pm.

1 ^Ci Хл

(3)

(4)

(5)

(6)

^ с fmc fmc

где C - критическая концентрация мицеллообра-зования смеси ПАВ, Q - критические концентрации мицеллообразования ПАВ, входящего в состав смеси; x1 и x2 - мольные доли соответствующих ПАВ в смеси, fm и f2m - коэффициенты активности ПАВ в мицелле; X'¡m и X2m - мольные доли соответствующих ПАВ в мицелле.

Так как значения x1 и x2 известны, а C , Ci и C2 определяли экспериментально, можно посредством последовательного приближения pm вычислить значения коэффициентов активности ПАВ fm и f2m, а также ХГ и X2m [6]. Представленные уравнения (3), (4), (5) и (6) были объединены в систему, решение которой при помощи программы Maple 11 привело к получению значений коэффициентов активности исследуемых ПАВ в мицелле, критической концентрации мицеллооб-разования и параметра pm. На основании экспериментальных данных и решения указанной системы уравнений были найдены состав смешанных мицелл и значение параметра pm для исследуемой смеси анионактивных эмульгаторов (рис. 1, 2).

C, моль/л

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6 V

0,4 V

0,2

0

Р= -5,4

0

0,2

0,8

1

му на представленной зависимости (рис. 2), позволяет узнать оптимальные условия получения смеси, при которых состав мицелл становится равным составу смешанной системы.

. 0,4 0,6 ,

xi

Рис. 1. Зависимость ККМ от состава раствора смеси анионактивных эмульгаторов Fig. 1. Dependence of CMC on solution composition of mixture of the anionic surfactants

При содержании DISPONIL AES 63 в смеси до 0,58 мольных долей (рис. 2) основным компонентом смешанной мицеллы является сульфат эфира алкилфенола. Точка, отвечающая миниму-

0.4 О.й

Рис. 2. Зависимость состава мицелл от состава смеси поверхностно-активных веществ Fig. 2. Dependence of micelles composition on composition of the surfactants mixture

Значение параметра pm при расчете по указанной методике составляет - 5,4 и не зависит от соотношения компонентов ПАВ в смеси. С использованием смеси ПАВ оптимального состава проведен синтез латексов графт-сополимеров в отсутствие традиционного диспергатора лейканола [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Высоковский А.С., Голиков И.В., Коротнева И.С., Курбатов В.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 11. С. 75-77;

Vysokovskiy A.S., Golikov I.V., Korotneva I.S., Кurbatov

V.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 11. P. 75-77 (in Russian).

2. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. / Под ред. Зайченко Л.П. СПб.: Профессия. 2004. 240 с.;

Lange K.R. Surfactants: synthesis, properties, analysis, application. SPb.: Professiya. 2004. 240 p. (in Russian).

3. Прохорова Г.В., Глухарева Н.А. // Коллоидный журнал. 2011. Т. 73. Вып. 6. С. 842-846;

Prokhorova G.V., Glukhareva N.A. // Kolloidnyiy zhurnal. 2011. V. 73. N 6. P. 842-846 (in Russian).

4. Прохорова Г.В., Глухарева Н.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 2. С. 56-59; Prokhorova G.V., Glukhareva N.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 2. P. 56-59 (in Russian).

5. Холмберг К., Йенссон Б., Кронберг Б., Линдман Б.

Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 528 с.; Holmberg K., Yensson B, Kronberg B., Lindman B. Surfactants and polymers in aqueous solution. М.: BINOM. Laboratoriya znaniy, 2007. 528 p. (in Russian).

6. Baker G.A., Bright F.V., Pandey S. // Chem. Educator. 2001. V. 6. N 4. P. 223-226.

Кафедра химии и технологии биологически активных и высокомолекулярных соединений

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013 том 56 вып. 9

61