CC BY
63
УДК 544.773
О. С. Горбачевский*, М. Ю. Королёва
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: osgorbachevski@gmail.com
ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ДИСПЕРСНОСТЬ ПАРАФИНОВЫХ ЭМУЛЬСИЙ
В данной работе исследованы водные дисперсии частиц парафина, стабилизированные поверхностно-активным веществом (ПАВ) - эфиром полиэтиленгликоля и цетилолеилового спирта Eumulgin 010, и полимерным стабилизатором: полиакриловой кислотой Carbopol ®940 или поливиниловым спиртом (ПВС). Показано, что в диапазоне концентраций Carbopol ®940 0,047 - 0,33 мас.% средний размер частиц парафина был практически постоянным и составлял ~190 нм. При стабилизации ПВС в диапазоне концентраций 0,2 -0,5 мас.% размер частиц парафина уменьшался от 2,5 мкм до 460 нм. При увеличении концентрации ПВС свыше 0,5 мас.% размер частиц парафина резко возрастал.
Ключевые слова: твердые частицы парафина, Eumulgin 010, Carbopol ®940, поливиниловый спирт.
Эмульсии, в том числе и парафиновые эмульсии, находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, в нефтяной промышленности, в качестве энергоемких материалов, для покрытия пищевой упаковки и контейнеров для транспортировки и хранения пищевых продуктов, для экстракции и целевой доставки различных соединений [1-3]. В настоящее время активно исследуются твердые липидные частицы, как контейнеры для доставки лекарственных веществ в организм человека, так как они имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными системами доставки (эмульсии, липосомы, полимерные микрочастицы) [4]. Для стабилизации эмульсий, кроме ПАВ, часто используются высокомолекулярные соединения. Полимерные молекулы образуют гелеобразные структуры в дисперсионной среде эмульсий, препятствуя сближению капель, их флокуляции и коалесценции [2]. В данной работе для стабилизации парафиновых эмульсий использовался полимер СагЬоро1 ®940, который относится к классу карбополов - редкосшитых акриловых полимеров, производных акриловой кислоты. Другим полимером, использованным в работе, являлся поливиниловый спирт (ПВС), водорастворимый несшитый полимер, который является производным сложных поливиниловых эфиров. СагЬоро1 ®940 применяется в пищевой и фармакологической промышленности в качестве загустителя [5]. ПВС применяется в пищевой промышленности в качестве стабилизатора.
Парафиновые эмульсии получали
диспергированием расплавленного парафина в водном растворе стабилизаторов. Концентрация СагЬоро1 ®940 в полученных эмульсиях составляла 0,047 - 0,033 мас.%, ПВС - 0,2 - 0,7 мас.%. Концентрация Еити1§т 010 во всех эмульсиях была 1 мас.%. В расплавленный при 75 оС парафин добавлялся водный раствор СагЬоро1 ®940 и Еити1§т 010 или ПВС и Еити1§т 010, нагретый до
той же температуры. Затем смесь парафина и водного раствора стабилизаторов подвергалась интенсивному перемешиванию со скоростью 3000 об/мин в течение 10 минут. Затем в эмульсию, содержащую Carbopol ®940, добавлялся 0,1 М раствор NaOH для нейтрализации Carbopol ®940 и образования гелеобразной структуры. В эмульсию, содержащую ПВС, раствор NaOH не добавлялся. Полученная эмульсия охлаждалась до комнатной температуры при перемешивании со скоростью 200 об/мин. Измерения размеров частиц проводились на приборе Zeta Sizer Nano (Malvern, UK).
В таблице 1 приведены значения среднего диаметра парафиновых частиц при различных концентрациях Carbopol ®940.
Таблица 1. Средний диаметр частиц парафина
при различных концентрациях Carbopol ®940
Частицы парафина имели размер ~190 нм во всех эмульсиях в исследованном диапазоне концентраций Carbopol ®940. В качестве примера на рис. 1 приведено распределение по размерам частиц парафина в дисперсии, содержащей 0,33 мас.% Carbopol ®940.
Концентрация Carbopol ®940, мас.% Средний диаметр частиц, нм
0,047 190±10
0,085 190±10
0,120 180±10
0,170 180±10
0,250 190±10
0,330 190±10
35 -1 30 -2 25 \ | 20 I 15 I Ю Ч
110 120 1« т 190 220 260 300 Средний диаметр частиц, нм
Рис. 1. Распределение по размерам частиц парафина в дисперсии, содержащей 0,17 мас.% СагЬоро1 ®940.
На гистограмме присутствовал один максимум при —190 нм, соответствующий отдельным частицам парафина. Более крупные частицы и агрегаты частиц практически отсутствовали.
При стабилизации частиц парафина ПВС размер полученных частиц в значительной степени зависел от концентрации ПВС. На рис. 2 показана зависимость среднего размера частиц парафина от концентрации ПВС.
= +
0 а?
1 2 {■
Ё Л
о> У &
Рис.
а)
0,2 0.4 0Г6
Концентрация ПВС. мас.%
0.3
2. Зависимость среднего размера частиц парафина от концентрации ПВС.
Молекулы ПВС адсорбировались на поверхности частиц парафина в виде клубков. Увеличение концентрации ПВС от 0,2 до 0,5 мас.% приводило к возрастанию степени заполнения поверхности частиц парафина молекулами ПВС. Такие эмульсии были более устойчивы к коалесценции до затвердевания парафина, поэтому получались частицы меньшего размера. Образование частиц наименьшего размера —460 нм происходило при концентрации ПВС 0,5 мас.%. Дальнейшее увеличение концентрации ПВС приводило к мостиковой флокуляции и коалесценции капель до затвердевания парафина, и, соответственно, резкому возрастанию размера частиц [6].
б)
Рис. 3. Микрофотографии дисперсий частиц парафина, стабилизированных: а) 0,33 мас.% СагЬоро1 ®940; б) 0,5 мас.% ПВС, полученные с помощью оптического микроскопа.
Стабилизация частиц парафина СагЬоро1 ®940 происходила за счет образования геля в дисперсионной среде эмульсий, Прочность сетчатой структуры, сформированной молекулами
полиакриловой кислоты в исследованном диапазоне концентраций, была достаточно высокой, чтобы препятствовать сближению частиц парафина и их коагуляции.
На рис. 3 показаны микрофотографии дисперсий парафиновых частиц, стабилизированных СагЬоро1 ®940 и ПВС.
При стабилизации парафиновых эмульсий СагЬоро1 ®940 и ПВС частицы имели сферическую или близкую к сферической форму. На микрофотографиях отсутствовали крупные частицы парафина и агрегаты частиц.
Таким образом, при стабилизации СагЬоро1 ®940 происходило образование частиц парафина меньшего размера, чем при использовании ПВС. Дополнительным преимуществом применения СагЬоро1 ®940 является возможность получения парафиновых эмульсий с различной концентрацией полимерного стабилизатора при сохранении высокой дисперсности. Это позволяет получать парафиновые эмульсии с различной вязкостью в зависимости от области их последующего применения.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания № 2014/171 и проекта № 16.962.2014.
Горбачевский Олег Станиславович, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Delgado M., Lazaro A., Mazo J., Zalba B. Rewiew of phase change material emulsions and microencapsulated phase change material slurries: Materials, heat transfer studies and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2012. - № 16. - P. 253-273.
2. Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012. - Т. 81. - С. 21-43.
3. Юртов Е.В., Королева М.Ю. Экстракционные жидкие мембраны // Мембраны и мембранные технологии. - 2014. - Т. 4. - № 3. - С. 163.
4. Mueller R.H, Maeder K., Gohla S. Solid lipid nanoparticles (SLN) for controlled drug delivery - a review of the state of the art // European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. - 2000. - №. 50. - P. 161-177.
5. Фадеева Е.Ю., Наговицына, Т.Ю. Королева М.Ю. Влияние Carbopol 940 на реологические свойства наноэмульсий, стабилизированных неионногенными ПАВ // Успехи в химии и химической технологии. -2014. - Т. 28. - № 6 (155). - С. 70-72.
6. Горбачевский О.С., Королева М.Ю., Юртов Е.В. Получение парафиновых эмульсий, стабилизированных наночастицами диоксида кремния // Успехи в химии и химической технологии. - 2015. - Т. 29. - № 6 (165). - С. 118-119.
OlegS. Gorbachevski*, Marina Yu. Koroleva
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
* e-mail: osgorbachevski@gmail.com
EFFECT OF POLYMER STABILIZERS ON THE DISPERSITY OF PARAFFIN WAX EMULSIONS
Abstract
In this paper the aqueous dispersions of paraffin wax particles stabilized by surfactant - cetyl/oleyl alcohol etoxylate Eumulgin 010 and polymer: polyacrylic acid Carbopol ®940 or polyvinyl alcohol (PVA) were investigated. The average size of paraffin particles was ~190 nm in the range of Carbopol ®940 concentrations of 0,047 - 0,33 wt.%. In the case of PVA stabilization particles sizes decreased from 2.5 ^m to 460 nm in the range of PVA concentration of 0,2 - 0,5 wt %. Increasing PVA concentration above 0,5 wt.% led to drastic increase in the sizes of paraffin particles.
Key words: solid paraffin particles, Eumulgin 010, Carbopol ®940, polyvinyl alcohol.
