CC BY
41
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 544.723.23
ИЗУЧЕНИЕ МОДИФИКАЦИИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНОГО БЕНТОНИТА ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
С. В. Бортников, Г. А. Горенкова
Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова
Статья посвящена изучению модификации природного глинистого минерала бентонита поверхностно-активными веществами. Приведены результаты модификации щелочноземельного бентонита карьера «Десятый хутор» (Республика Хакасия) анионактивным поверхностно-активным веществом олеатом натрия и белком желатином. Показано, что наиболее эффективны как модификаторы индивидуальный олеат натрия и его смесь с белком. Обработка водной дисперсии бентонита желатином приводит к флокуляции.
Ключевые слова: бентонит, модификация, олеат натрия, желатин, седиментация, дисперсность, коллоидальность, флокуляция.
В настоящее время огромный интерес среди разработчиков полимерных материалов вызывают наноразмер-ные слоистосиликатные наполнители (органоглины), которые уже при небольших содержаниях в полимерной матрице приводят к снижению газопроницаемости, к увеличению упругости, прочности, повышению термостойкости, теплостойкости и устойчивости к горению материала. Однако масштабирование технологии получения слоистосиликатных полимерных нанокомпозитов сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью органоглины, которая производится только зарубежными компаниями. В связи с этим вовлечение в производство отечественного монтмориллонита и создание на его основе органоглин, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств полимерных композитов, представляется актуальной задачей. При этом важным является расширение разнообразия и функциональности органомодификаторов глин, которые могут обеспечить высокую степень дисперсности частиц глины в неполярных матрицах [1].
Природная глина, являясь гидрофильной, несовместима с полимерной матрицей. Для использования глины в качестве наполнителя с целью получения полимерных композитов необходимо придать ей орга-нофильный характер, что достигается путём модифицирования глины органическими веществами (органо-модификаторами). Модифицированная глина хорошо диспергируется в полимерной матрице и взаимодействует с цепочкой полимера. В качестве модификаторов, обеспечивающих гидрофобизацию поверхности глины, могут использоваться поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ, имеющие дифиль-ную природу, адсорбируются на поверхности глины таким образом, что их полярные группы направлены к поверхности минерала, а углеводородные радикалы - в дисперсионную среду. В работе Б. В. Покидько и других изучена адсорбция ПАВ различной природы на отрицательно заряженной поверхности бентонита из водных растворов. Авторам удалось с помощью рентгенофазового анализа определить структуру адсорбционных слоёв. Ими было показано, что углеводородные радикалы молекул ионогенных ПАВ имеют наклонную вертикальную ориентацию. Присутствие ионов кальция приводит к увеличению адсорбции молекул ПАВ и к более вертикальному их расположению [2]. Образование адсорбционных слоёв, состоящих из молекул ПАВ, ориентированных таким образом, и приводит к гидрофобизации поверхности глины. Кроме того, образование адсорбционных слоёв ПАВ, в том числе и в межслоевом пространстве бентонита, приводит к эксфолиации слоёв минерала, диспергированию, пептизации, увеличению доли коллоидных частиц, то есть к увеличению дисперсности.
В настоящей работе исследовался процесс модификации щелочноземельного бентонита месторождения «Десятый хутор» (Республика Хакасия) с помощью низкомолекулярного анионактивного ПАВ и высокомолекулярного ПАВ белка. В качестве анионактивного ПАВ использовался олеат натрия, в качестве высокомолекулярного ПАВ - белок желатин. Однопроцентные растворы ПАВ добавлялись к водной дисперсии бентонита в количестве 10 % раствора от общего объёма дисперсии. При обработке дисперсии смесью олеата натрия и желатина растворы реагентов смешивались в соотношении 1:1, при этом объём смеси составлял 10 % от общего объёма дисперсии. Эффективность действия модификаторов на свойства глины оценивалась по степени дисперсности водной дисперсии бентонита и его коллоидальности.
В работе использовался метод седиментационного анализа, позволяющий определить усреднённые характеристики дисперсии. С помощью торсионных весов проводилось непрерывное взвешивание осадка водной дисперсии бентонита в течение определённого промежутка времени. Таким образом были получены седиментаци-онные кривые для исходного образца, а также образцов, обработанных олеатом натрия, желатином, смесью олеата натрия с желатином (рис. 1).
Следует отметить, что седиментационные кривые описывают оседание частиц только грубодисперсной фракции системы. В исследуемых дисперсиях по окончании седиментации некоторая доля частиц остаётся во взвешенном состоянии. Это частицы коллоидной фракции, имеющие радиус меньше 10-3 см, не оседающие в обычных условиях. Наличие коллоидной фракции в исследуемых системах подтверждалось эффектом Тиндаля в дисперсиях по окончании седиментации.
^ мин
Рис. 1. Седиментационные кривые для дисперсии бентонитовой глины (1 - для исходного образца; 2 - для образца, модифицированного олеатом натрия; 3 - для образца, модифицированного желатином; 4 - для образца, модифицированного смесью олеата натрия с желатином)
Сравнение полученных седиментационных кривых показывает, что олеат натрия, желатин и смесь этих веществ оказывает влияние на дисперсность исследуемого образца, меняя соотношение между массами частиц грубодисперсной и коллоидной фракций. Так, масса седиментационного осадка для бентонита, обработанного олеатом натрия, уменьшилась, то есть возросла доля частиц в коллоидной фракции дисперсии. Аналогичный результат был получен нами ранее для других образцов бентонита [3]. Масса седиментационного осадка образца, обработанного желатином, резко увеличилась по сравнению с исходным (рис. 1, кривая 3) и очень резко уменьшилась для образца, обработанного смесью олеата натрия с желатином (рис. 1, кривая 4). Результаты определения коллоидальности исходного и модифицированных образцов также свидетельствуют о возрастании
доли коллоидной фракции при обработке образца олеатом натрия и смесью олеата натрия с желатином и о резком уменьшении доли коллоидной фракции при обработке желатином (табл.).
Коллоидальность исследуемых образцов бентонита Таблица
Образец Коллоидальность, %
Исходный 16,0
Модифицированный олеатом натрия 49,3
Модифицированный желатином 11,3
Модифицированный смесью олеата натрия с желатином 86,6
Возрастание доли частиц в коллоидной фракции суспензии (увеличение дисперсности) при модификации олеатом натрия объясняется пептизирующим действием поверхностно-активного вещества, которое адсорбируется на поверхности бентонита. Как уже было сказано выше, адсорбция ПАВ на поверхности минерала приводит к дроблению частиц, увеличению числа коллоидных частиц, т. е. к увеличению дисперсности системы.
Иначе ведет себя высокомолекулярное поверхностно-активное вещество желатин. Резкое увеличение массы седиментационного осадка, то есть уменьшение доли коллоидной фракции для образца, обработанного желатином (рис. 1, кривая 3), можно объяснить только флокуляцией, т. е. образованием агрегатов (хлопьев) из коллоидных частиц глины и молекул желатина. Полимерные молекулы белка адсорбируются несколькими своими фрагментами на поверхности сразу нескольких взвешенных частиц с образованием между ними полимерных мостиков, что проявляется в хлопьеобразовании и быстром осаждении агрегатов частиц. Подобное явление происходит при осветлении соков и вин бентонитом, при очистке сточных вод. Особое внимание обращает на себя седиментационная кривая 4 (рис. 1), описывающая седиментацию образца, обработанного смесью олеата натрия с желатином. Она свидетельствует об увеличении доли коллоидной фракции дисперсии, о более резком, чем при обработке индивидуальным олеатом натрия. Об этом же свидетельствует и величина коллоидальности данного образца (табл.). Иначе говоря, в нашем эксперименте смесь олеата натрия с желатином оказывает более сильное диспергирующее действие на бентонит, чем олеат натрия. Объяснение этому следует искать в явлении взаимодействия ПАВ с белками, описанном в литературе. В нашей работе мы также экспериментально обнаружили факт взаимодействия олеата натрия с желатином.
С ■ 10-4, моль/л
Рис. 2. Изотерма поверхностного натяжения (1 - для олеата натрия, 2 - для олеата натрия с добавкой желатина)
Изотерма поверхностного натяжения олеата натрия в присутствии желатина (рис. 2, кривая 2) располагается ниже изотермы для чистого олеата натрия, на ней появляется минимум. Изменение хода изотермы поверхностного натяжения олеата натрия в присутствии желатина свидетельствует о взаимодействии между белком желатином и анионактивным поверхностно-активным веществом олеатом натрия. В работе С. Р. Деркач и других авторов [4] установлено, что механизм взаимодействия желатина с ПАВ обусловлен как электростатическими взаимодействиями, так и гидрофобными. При этом образуются ассоциаты более поверхностно-активные, чем каждый компонент в отдельности. Авторы работы рассматривают эти ассоциаты как новый тип поверхностно-активных веществ. По-видимому, в нашем случае происходит образование подобных ассоциатов при взаимодействии желатина с олеатом натрия. Благодаря большей поверхностной активности эти ассоциаты оказывают более ярко выраженное диспергирующее действие на минерал.
Библиографический список
1. Бесланеева, З. Л. Новые органоглины и полиэтилен - слоистосиликатные нанокомпозиты: дис. ... канд. техн. наук: 02.00.06 / Бесланее-ва Зера Лионовна. - Нальчик, 2011. - 106 с.
2. Покидько, Б. В. Влияние ионов кальция на адсорбцию ионных и неионных ПАВ на бентоните / Б. В. Покидько, Е. Ф. Буканова, И. А. Туторский [и др.] // Вестник МИТХТ им. М. В. Ломоносова. - 2009. - Т. 4. - № 1. - С. 77-83.
3. Бортников, С. В. Модификация щелочноземельного бентонита олеатом натрия / С. В. Бортников, Г. А. Горенкова // Альманах современной науки и образования. Тамбов. Грамота. - 2013. - № 8 (75). - С. 32-34.
4. Деркач, С. Р. Особенности поверхностных свойств систем вода-желатин-ПАВ. Солюбилизация эмульсионных пленок / С. Р. Деркач, В. Н. Измайлова, Б. Н. Тарасевич [и др.] // Журнал научной и прикладной фотографии. - 1997. - Т. 42. - № 1. - С. 54-60.
© Бортников С. В., Горенкова Г. А., 2013
