Научная статья на тему 'Изучение агрегации в водных растворах оксиэтилированных неионогенных поверхностно-активных веществ методом динамического светорассеяния'

Изучение агрегации в водных растворах оксиэтилированных неионогенных поверхностно-активных веществ методом динамического светорассеяния Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
468
125
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
неионогенные поверхностно-активные вещества / мицеллообразование / динамическое светорассеяние
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Тихова А. А., Глухарева Н. А., Колесникова Е. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Изучение агрегации в водных растворах оксиэтилированных неионогенных поверхностно-активных веществ методом динамического светорассеяния»

УДК 544.776

ИЗУЧЕНИЕ АГРЕГАЦИИ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ОКСИЭТИЛИРОВАННЫХ НЕИОНОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО СВЕТОРАССЕЯНИЯ

А. А. Тихова,

Н. А. Глухарева,

Е. Н. Колесникова

С использованием метода динамического светорассеяния изучены водные растворы оксиэтилированных неионогенных поверхностно активных веществ, определены размеры агрегатов и их изменение с ростом температуры.

Белгородский

государственный

университет,

Россия, 308015 г. Белгород, ул. Победы 85

Ключевые слова: неионогенные поверхностно-активные вещества, мицеллообразование, динамическое светорассеяние.

E-mail: glukhareva@bsu.edu.ru; ekolesnikova@bsu. edu. т

Введение

Уникальная особенность дифильных молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) с хорошо сбалансированными углеводородной цепью и концевой полярной группой заключается в их способности по достижении определенной концентрации в растворе самопроизвольно образовывать агрегаты, называемые мицеллами [1, 2].

Среди мицеллообразующих ПАВ широкое распространение получили оксиэти-лированные продукты, которые используются практически во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, фармацевтике, нефтедобыче и добыче полезных ископаемых. Их высокая моющая способность, умеренное пенообразование, эмульгирующие и стабилизирующие свойства позволяют применять их для самых разных целей: при производстве концентратов эмульсий и пестицидных порошков, очистке и обработке металлов, в фармацевтических и косметических препаратах, в меховой и кожевенной промышленности, и, главным образом, при производстве синтетических моющих средств [3].

Несмотря на то, что к настоящему времени коллоидно-химические свойства растворов оксиэтилированных ПАВ достаточно хорошо описаны, установлены закономерности изменения свойств ПАВ этого типа в зависимости от структуры [4-7], современные экспериментальные методы и новые приборы открывают возможности для более подробного изучения поведения таких систем.

Цель настоящей работы — определение размеров мицелл, образующихся в водных растворах оксиэтилированных НПАВ, а также изучение изменения размера агрегатов с ростом температуры с использованием метода динамического светорассеяния.

Было исследовано образование агрегатов в водных растворах, содержащих неионогенные ПАВ: этоксилат нонилфенола с разветвленным углеводородным радикалом C9H19C6H4(OCH2CH2)mOH со средней степенью оксиэтилирования т=10 (Неонол АФ 9-10 — продукт ООО «Нижнекамскнефтехим»), а также этоксилат додеканола C12H25(OCH2CH2)mOH, т=25 (лабораторный образец).

Значения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) определяли по изотермам поверхностного натяжения, которое измеряли методом отрыва кольца на тензиометре Kruss (Германия). Для Неонола АФ9-10 ККМ составила 8.210-5 моль/л, а для этоксилата додеканола — 8.110-5 моль/л при 20 °С, что согласуется с литературными данными для аналогичных НПАВ [5].

Экспериментальная часть

Температуру помутнения растворов с различной концентрацией определяли визуально согласно ГОСТ Р 50346-92. Для 1 %-ных растворов она составила 64 °С для Неонола АФ9-10 и 85 °С для этоксилата додеканола.

Измерение размера агрегатов НПАВ в растворах проводили с использованием анализатора Zetasizer Nano-ZS (Malvern Instruments, Великобритания) с лазерным источником излучения (He-Ne, 633 нм, 4mW). Датчик прибора регистрирует изменение интенсивности рассеянного света под углом 173 градуса в зависимости от времени, это изменение обусловлено броуновским движением рассеивающих частиц. На основании полученных данных определяется коэффициент диффузии, который используется для расчета среднего гидродинамического диаметра сферического агрегата по уравнению Эйнштей-на-Смолуховского. Анализатор снабжен соответствующим программным обеспечением. Результат представляется в виде кривых распределения частиц по размеру.

Для проведения измерений растворы НПАВ готовили на дважды дистиллированной воде. Обеспыливание растворов осуществляли фильтрованием их через микрофильтр с размером пор 0,2 дм в кварцевую измерительную кювету, которую перед проведением анализа многократно промывали свежеперегнанным ацетоном. Измерения проводили в интервале температур от 20 до 85 °С, нагревание осуществляли непосредственно в измерительной кювете.

Результаты и их обсуждение

Значения температуры помутнения растворов НПАВ при различной концентрации и ККМ позволили построить фазовые диаграммы изучаемых систем. На рис. 1 в качестве примера представлен фрагмент фазовой диаграммы водного раствора эток-силата додеканола. Для Неонола АФ9-10 диаграмма в целом аналогична приведенной. Слева очень близко к оси ординат расположена линия температурной зависимости ККМ (линия АВ). Область I отвечает истинному раствору, в котором концентрация ПАВ недостаточна для образования агрегатов. Область существования мицелл в растворе (II) ограничена слева линией ККМ, сверху линией температуры помутнения (линия ВС). При этой температуре происходит выделение новой фазы, обогащенной поверхностно-активным веществом, и система становится гетерогенной. При дальнейшем нагревании и при достаточно высокой концентрации раствора возможно расслоение системы. Полагают, что выделение новой фазы связано с уменьшением растворимости ПАВ, обусловленным дегидратацией оксиэтильной цепочки с ростом температуры [4]. В связи с этим представляло интерес установить, как изменяется размер мицелл в растворе с ростом температуры.

С, ммоль л

Рис. 1. Фрагмент фазовой диаграммы водного раствора этоксилата додеканола

Следует отметить, что светорассеяние в чистой обеспыленной воде, а также в истинных растворах НПАВ не наблюдается. На рис. 2 приведены результаты измерения светорассеяния для мицеллярных водных растворов Неонола АФ 9-10 с различной концентрацией, превышающей ККМ. Высота пика, соответствующего раствору с концентрацией, равной ККМ, очень мала. С ростом концентрации увеличивается интен-

сивность светорассеяния, что наряду с практически неизменным размером агрегатов говорит об увеличении их количества в растворе. Средний гидродинамический диаметр мицелл составил 7,8 нм, что согласуется с литературными данными, полученными для аналогичных ПАВ [8].

Для изучения влияния температуры на размер агрегатов использовали раствор с концентрацией, превышающей ККМ.

Рис. 2. Распределение мицелл по размеру в водных растворах Неонола АФ 9-10 различной концентрации

Мицеллы, образуемые этоксилатом додеканола при концентрации 4ККМ, имеют гидродинамический диаметр 6,3 нм, который практически не увеличивалется с ростом температуры до 80 °С. Лишь при температуре выше 80 °С, т.е. близкой к точке помутнения, наблюдается небольшое увеличение мицелл. В растворе с концентрацией этоксилата додеканола 20 ККМ средний гидродинамический диаметр мицелл практически такой же и увеличивает при температуре выше 75 °С, достигая 11,6 нм при 85 °С.

Size Distribution by Volume

Size Distribution by Volume

в г

Рис. 3. Изменение среднего гидродинамического диаметра мицелл в водном растворе Неонола АФ 9-10 с ростом температуры: а) 20°С, б) 40°С, в) 65°С, г) 75°С

Результаты, полученные для 5 %-ного водного раствора Неонола АФ 9-10, представлены на рис. 3. В интервале температур от 20 °С до 65 °С происходит монотонное увеличение размера агрегатов от 9,7 до 200 нм. Однако следует отметить, что при такой высокой концентрации НПАВ в растворе скорее всего образуются уже не сферические мицеллы. При высокой температуре, от 70 до 75 °С, размер агрегатов резко увеличивается и достигает 1400 нм, что соответствует помутнению системы.

Заключение

Таким образом, с использованием метода динамического светорассеяния изучены водные растворы оксиэтилированных неионогенных ПАВ. Полученные резуль-

таты свидетельствуют об увеличении размеров мицелл с ростом температуры и образовании крупных частиц при приближении к температуре помутнения.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013гг. (госконтракт №П1366 от 02.09.2009).

Список литературы

1. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии / Под ред. К. Миттела. — М.: Мир, 1980. - 598 с.

2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа, 2004. — 352 с.

3. Поверхностно-активные вещества и композиции. Справочник / Под ред. М.Ю. Плетнева.— М.: ООО «Фирма Клавель», 2002. — 768 с.

4. Шенфельд Н. Поверхностно-активные вещества на основе оксида этилена / Под ред. Н.Н. Лебедева. — М.:Химия, 1982. — 752 с.

5. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 528 с.

6. Агеев А.А., Волков В.А. Поверхностные явления и дисперсные системы в производстве текстильных материалов и химических волокон.— М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. — 464 с.

7. Surfactants: Chemistry, Interfacial Properties, Applications (Stud. Interface Sci., 13)/Ed/ V.B. Fainerman, D. Mobius and R. Miller. — Amsterdam: Elsevier, 2001. — 635 p.

8. Phillies G.D.J., Yambert J.E. Solvent and Solute Effects on Hydration and Aggregation Numbers of Triton X-100 Micelles // Langmuir. — 1996. — Vol. 12. — № 14. — P. 3431-3436.

STUDY OF AGGREGATION OF ETHOXYLATED NONIONIC SURFACTANTS IN AQUEOUS SOLUTIONS BY DYNAMIC LIGHT SCATTERING

A. A. Tikhova,

N. A. Glukhareva, E. N. Kolesnikova

Belgorod State University, Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia

E-mail:

glukhareva@bsu. edu. ru; ekolesnikova@bsu. edu. ru

Aqueous solutions of ethoxylated nonionic surfactants have been studied by the method of dynamic light scattering, sizes of aggregates and their change with temperature have been determined.

Key words: nonionic surfactants, micelle formation, dynamic light scattering.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.