CC BY
210
УДК544(773.2+722.3) : 541.64
С. А. Богданова, И. Ф. Шаймухаметова
СМАЧИВАЮЩАЯ И ПЕНООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ КОМПОЗИЦИЙ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Ключевые слова: смачивание, смачивающая способность ПАВ, поверхность полимера, полиэтилен, окисление поверхности, полярность поверхности, пена, пенообразующая способность ПАВ, смеси анионных ПАВ, синергизм, тара и упаковка
косметических средств.
Исследованы смачивающая и пенообразующая способности растворов индивидуальных анионных ПАВ (лаурилсульфат натрия и сульфоэтоксилат натрия) и их композиций. Показало, что термическое окисление поверхности полимера приводит к возрастанию смачивания. Установлено оптимальное соотношение компонентов в пеномоющих композициях.
Keywords: wetting ability, wetting ability of the surfactants, polymer surface, polyethylene, surface oxidation, surface polarity, the foam, the foaming ability of the surfactant, anionic surfactants mixture, synergism, cosmetics packaging.
Wetting and foaming ability of individual solutions of anionic surfactant (sodium lauryl sulfate and sodium laureth sulphate) and their compositions has been investigated. The thermal oxidation of the polymer surface was shown to lead to an increase in wetting. The optimum ratio of the components in the foam-detergent compositions was established.
Введение
Природные и синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ) являются обязательным компонентом большинства современных косметических средств. Они являются важнейшими косметическими ингредиентами, обеспечивающими пенообразование, смачивание, эмульгирование, диспергирование, гомогенизацию, устойчивость продуктов. Особую роль ПАВ играют в пеномоющих композициях [1-3].
Перспективной областью исследований является изучение смесей ПАВ, поскольку в них реализуются эффекты синергизма. Композиции основного ПАВ и со-ПАВ широко используются в рецептуростроении косметических средств, однако состав таких композиций зачастую научно не обоснован и не оптимизирован. В связи с этим, исследования, связанные с изучением коллоидно-химических свойств композиций ПАВ необходимы и актуальны.
Важной научно-практической задачей является изучения смачивания твердых гладких поверхностей, особенно поверхностей полимеров, водными растворами смесей ПАВ. Эти явления лежат в основе моющего и очищающего действия ПАВ, адсорбции ПАВ на стенках полимерной тары для косметических средств, их изучение полезно при разработке антистатиков и модификаторов поверхности полимеров [4-6].
Ранее в наших работах было изучено смачивание поверхностей полимерных материалов растворами неионных ПАВ [7-9].
Целью данной работы являлось изучение особенностей смачивания поверхности полиэтилена водными растворами смесей анионных ПАВ и оптимизация их пенообразующей способности.
Экспериментальная часть
В работе использовались анионные ПАВ: лаурилсульфат натрия (ЛСН) и оксиэтилированный лаурилсульфат натрия (СЭК) марки ТЕХДРОК N70
(поставщик сырья ООО "Руссо Хеми"), которые являются известными пенообразователями. Они используются в пеномоющих косметических средствах различного назначения.
В работе при изучении смачивания в качестве подложки использовались образцы полиэтилена высокого давления марки ПЭВД-168, производства ОАО «Казаньоргсинтез». Пленки были получены прессованием при давлении 3,4 МПа в соответствии с ГОСТ 16337-77. Был использован гидравлический рамный пресс ПГ-60 верхнего давления с усилием прессования 60 т.1
Для получения термически окисленных образцов ПЭВД отпрессованные пленки ПЭВД были выдержаны в термошкафу с принудительной циркуляцией воздуха при температуре 473К различные промежутки времени (30 и 90 мин.).
Краевой угол смачивания определяли методом сидящей капли при помощи катетометра КМ-8, снабженного микрометрической насадкой. Капли жидкости наносились с помощью микрошприца. Для хорошей воспроизводимости опытов наносили не менее 3 капель одинаковых размеров так, чтобы их диаметр не превышал 2-3 мм. Все измерения проводились при 20°С±1°С. Образцы полимеров, на которые наносили капли жидкостей тщательно обезжиривались ацетоном и промывались дистиллированной водой. Пенообразующую способность определяли по методу Росс- Майлса. Поверхностное натяжения измеряли по методу Ребиндера.
Обсуждение результатов
Моющее действие тесно связано со смачивающей способностью. В связи с этим мы исследовали смачивание твердой поверхности полимера водными растворами исследуемых ПАВ и их смесей. При этом мы использовали
1Авторы выражают благодарность О.Р.Шашкиной и О.В.Стоянову за предоставленные образцы.
полиэтилен марки ПЭВД-168. Полиэтилен является основным полимером для изготовления тары и упаковки косметических моющих средств. Адсорбция ПАВ на материале тары может вызывать ее растрескивание. Кроме того, оптимизация смеси моющих ПАВ может быть полезна в процессах удаления загрязнений с поверхности изделий из пластмасс. В работе мы использовали и окисленные поверхности ПЭВД, поскольку окисление поверхности полимеров существенно влияет на смачивание. Измерение краевого угла смачивания проводили на трех полимерных поверхностях (ПЭВД-168, ПЭВД-168 (время термического окисления 30 минут), ПЭВД-168(время термического окисления 90 минут) нанесением растворов ПАВ с различной концентрацией.
Ранее, в работах кафедры было показано, что окисление поверхности полиэтилена приводит к увеличению полярности [9,10]. В таблице 1 представлены результаты определения полярной составляющей свободной поверхностной энергии (СПЭ) ПЭВД-168 и параметра кислотности поверхности, которые указывают на появление полярных групп кислотного характера в поверхностном слое ПЭВД по мере окисления [10].
Таблица 1 - Поверхностные свойства ПЭВД в зависимости от термического окисления
Ниже приведены зависимости смачивания исследуемых поверхностей от концентрации раствора лаурилсульфата натрия (рис. 1), а также диаграмма ,показывающая результаты смачивания для смеси ПАВ различных соотношений (рис. 2).
Из представленных данных видно, что смачивающая способность выше для ЛСН, чем для СЭК, если речь идет о растворах индивидуальных ПАВ. При этом увеличение времени термического окисления приводит к возрастанию смачивания.
Это указывает на участие в смачивании полярных групп ПАВ, которые, очевидно, взаимодействуют с полярными группами поверхности ПЭВД, появляющимися в процессе окисления в поверхностном слое.
Анализ смачивания смесей ПАВ показал, что при определенных соотношениях компонентов (6% СЭК и 3% ЛСН) наблюдается повышение смачивания по сравнению с индивидуальными ПАВ.
Cos В 1
О 0.5 1
Слскп^
Рис. 1 - Зависимость смачивания ПЭВД с разным временем окисления от концентрации раствора лаурилсульфата натрия
—♦— ПЭВД-16В -Ш-ПЭВД-16В (ЗОгяинут) -* ПЭВД-16В (1.5 часа)
12 3
■ 5% СЭК+2% ЛСН ■ 6% СЭК + 3« ЛСН «7% СЭК+5% ЛСН
Рис. 2 - Зависимость смачивания от концентрации смеси ПАВ различных соотношений: 1 - ПЭВД -168; 2 - ПЭВД-168 (время термического окисления 30 минут); 3 -ПЭВД-168 (время термического окисления 90 минут)
Важной характеристикой ПАВ, имеющей значение для пеномоющих косметических композиций является высота столба пены и устойчивость пены.
Зависимость высоты пены от соотношения компонентов в смеси ПАВ концентрации проиллюстрирована на рисунке 3.
12 3
Рис. 3 - Высота пены для различных составов смеси ПАВ: 1 - 5% СЭК и 2% ЛСН; 2 - 6% СЭК и 3% ЛСН; 3 - 7% СЭК и 5% ЛСН
Образец, время термоокисления Sample,the oxydating time Полярная составляю щая СПЭ Ysp, мН/м Polar component of surface free energy Параметр кислотности D The parameter of acidity
ПЭВД-168 4,2 -1,6
ПЭВД-168,30мин 7,8 -0,5
ПЭВД-168,90 мин 9,2 2,2
Предварительно полученные результаты для индивидуальных ПАВ указывают на более высокие пенообразующие свойства для СЭК по сравнению с ЛСН. Данные рис.4. свидетельствуют,что композиция ПАВ состава 2 обладает пенообразующими свойствами более высокими, чем индивидуальные ПАВ, что делает перспективным использование этой композиции в пеномоющих средствах.
Важной характеристикой для
пенообразователей является поверхностное натяжение их растворов, свидетельствующее о возможной адсорбции ПАВ на границе раздела жидкость-газ.
Анализ изотерм поверхностного натяжения показывает, что исследуемые ПАВ в целом соизмеримы по поверхностной активности. Вместе с тем для смеси состава 2 отмечено существенное снижение поверхностного натяжения, ниже, чем для отдельных ПАВ, что свидетельствует о синергических эффектах.
12 3
Рис. 4 - Поверхностное натяжения для различных смесей ПАВ: 1 - 5% СЭК и 2% ЛСН; 2 - 6% СЭК и 3% ЛСН; 3 - 7% СЭК, 5% ЛСН
На основании определения смачивающей способности и измерения поверхностного натяжения нами были рассчитаны значения величины работы адгезии по уравнению Юнга-Дюпре.
Таблица 2 - Работа адгезии растворов смесей ПАВ к поверхности ПЭВД
Состав смеси ПАВ The surfactants mixture composition Работа адгезии The work of adhesion
Waд(ПЭВД-168), мН/м Wad(LDPE-168) Waд(ПЭВД-168-30 минут), мН/м Wad(LDPE- 168-30 minutes) Wад(ПЭВД-168 - 90 минут), мН/м Wad(LDPE- 168-90 minutes)
5% СЭК +2% ЛСН 88,25 86,81 81,57
6% СЭК +3% ЛСН 47,5 48,25 47,5
7% СЭК + 5% ЛСН 104,43 110,92 113,28
Обращает на себя внимание значительное возрастание адгезионного взаимодействия растворов ПАВ с поверхностью по мере увеличения полярности поверхности полиэтилена вследствие термического окисления. СЭК характеризуется более высоким адгезионным взаимодействием с поверхностью, чем ЛСН. Смесь состава 2 характеризуется низкой адгезией к полиэтилену, что обеспечивает отсутствие пристеночных эффектов, адсорбционного понижения твердости (эффект Ребиндера) и менее способна вызывать растрескивание полимерной тары.
Выводы
1. На основании определения пенообразующей способности растворов индивидуальных анионных ПАВ(лаурилсульфат натрия и сульфоэтоксилат натрия) и их композиций установлено оптимальное соотношение компонентов
2. Определение краевого угла смачивания поверхности полиэтилена водными растворами исследуемых ПАВ показало, что термическое окисление поверхности полимера приводит к возрастанию смачивания
3. При определенных соотношениях компонентов (6% СЭК и 3% ЛСН) наблюдается повышение смачивания по сравнению с индивидуальными ПАВ.
4. СЭК характеризуется более высоким адгезионным взаимодействием с поверхностью, чем ЛСН.
На основании проведенных исследований смесь состава 2 может быть рекомендована к использованию в пеномоющих композициях.
Литература
1. Санова, Л.А., Дроникова, Т.В. Поверхностно-активные вещества в пеномоющих косметических средствах/ Л.А. Санова, Т.В. Дроникова// Вестник ВНИИЖ. - 2010. -т.1. - №1. - с.36.
2. Поверхностно-активные вещества и композиции. Справочник./Под ред. М.Ю.Плетнева. - М.:ООО «Фирма Клавель», 2002.-768 стр.
3. Коини Т. Пенообразование некоторых диметиконсополиолов/ Т. Коини , В. Эстермайер, А. Хебер // SOFW-Journal. —2003. —№1. — С. 4-10.
4. Богданова, Ю.Г. Смачивание твердых тел водными растворами бинарных смесей ПАВ. 2. Смачивание высокоэнергетической поверхности / Ю.Г. Богданова, В.Д. Должикова, Б.Д. Сумм // Коллоидный журнал. -2003. - №3. - с. 323-327.
5. Харитонова, Т.В. Адсорбция катионного и неионогенного ПАВ на поверхности SiO2 из водных растворов. 1. Адсорбция бромида додецилпиридиния и тритона Х-100 из индивидуальных растворов / Т. В. Харитонова, Н. И. Иванова, Б. Д. Сумм // Коллоидный журнал. - 2005. - №2. - С. 274-280.
6. Ефремов, Н.Ф. Тара и ее производство/ Н.Ф. Ефремов.-2-е изд., доп.- М.: МГУП, 2001.- 312с.
7. Смачивание полимеров некоторыми неионными ПАВ / Богданова С.А. [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. - 2003. - № 1-2. - С. 130134.
8. Барабанов, В.П. Коллоидно-химические аспекты
взаимодействия ПАВ с поверхностью полимеров/ Барабанов В.П., Богданова С.А.// Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №4. - 7-25 с.
9. Шашкина О.Р. Роль полярных взаимодействий в формировании адсорбционных слоев
оксиэтилированных ПАВ на поверхности полиолефинов / О.Р. Шашкина, О.В. Стоянов, Г.П.Белов, О.Н.
Голодков // Сб. статей IX Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем", Уфа, 2002.-С. 289-292.
10. Шашкина, О.Р. Влияние энергетического состояния поверхности полимеров на смачивание их неионными ПАВ: дис. канд. хим. наук / О.Р. Шашкина. - Казань, 2004. - 195 с.
© С. А. Богданова - канд. хим. наук, проф. каф. технологии косметических средств КНИТУ, polyswet@mail.ru; И. Ф. Шаймухаметова - магистрант той же кафедры.
© S. A. Bogdanova, Doctor of Chemistry, Associated professor, Department of Technology Cosmetics, KNRTU, polyswet@mail.ru; 1 F. Shaimuhametova, Master's student, Department of Technology Cosmetics, KNRTU.
