CC BY
78
УДК 532.6
ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНКИ МОЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАВ) С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КАПИЛЛЯРНОГО ПОДНЯТИЯ Кибалов Максим Сергеевич, аспирант, redkollegiamgus@mail.ru,
Агеев Андрей Андреевич, доктор технических наук, профессор,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва, Волков Виктор Анатольевич, доктор химических наук, профессор, Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина.
In the article the comparison between a method of definition of capillary characteristics of textile materials and a method of definition of washing ability of binary solutions of PEAHENS is presented. For textile materials the most popular using method is the indirect method of an estimation of wetting by means of height of a rising of a liquid on the vertical sample of a fabric. It is established that moistening and washing ability are correlated among themselves, and wettability can serve as criterion of an estimation of washing ability.
В статье проводится сравнение между методом определения капиллярных характеристик текстильных материалов и методом определения моющей способности бинарных растворов ПАВ. Для текстильных материалов наиболее часто используется косвенный метод оценки смачивания путем измерения высоты поднятия жидкости по вертикальному образцу ткани. Установлено, что смачивающая и моющая способность коррелируются между собой, и смачиваемость может служить критерием оценки моющей способности.
Keywords: washing action, wetting, adsorption Ключевые слова: моющее действие, смачивание, адсорбция
Модифицирование поверхностных свойств с целью создания новых материалов предполагает возможность непрерывного определения изменяемых свойств. Решение этой задачи затруднено для пористых тел. В работе предлагается метод изучения поверхностных свойств микропористых тел на примере текстильных материалов.
Текстильные материалы представляют собой типичный пример капиллярно-пористых тел. Непосредственное измерение краевых углов на таких поверхностях невозможно не только из-за развитого микрорельефа, но и в результате проявления капиллярного впитывания нанесенных на такие поверхности жидкостей.
Для определения краевых углов смачивания текстильных материалов наиболее часто используется метод измерения высоты поднятия жидкости по вертикальному образцу ткани, которая прямо пропорциональна величине косинуса угла смачивания согласно уравнению Жюрена
j _ 2а cos 0 (1)
1 max _ (1)
pgr
где /max - максимальная высота поднятия жидкости; а - поверхностное натяжение жидкости; р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; r - радиус капилляра.
Движение жидкости с кинематической вязкостью п по капилляру круглого сечения радиуса r под влиянием перепада давления АР описывается уравнением Пуазейля, в случае горизонтального расположения капилляров, наиболее часто называемое уравнением Г агена - Пуазейля:
d/ r2 АР
dt П1
Проведя ряд математических преобразований, получим уравнение Вошберна [1]
(2).
/max ІП - / _ Kt , (3)
где
2
К = (4).
8п
Уравнение (3) неудобно для обработки первичных экспериментальных данных. Можно упростить выражение (3), разлагая логарифмическую функцию в степенной ряд и пренебрегая высшими членами разложения. Это приводит к квадратичной зависимости высоты поднятия от времени [2]
12 = (1тах -I) (5).
Неудобство в обработке данных заключается в том, что парабола не имеет асимптоты.
Приведем уравнение (5) к линейному виду
I К1
_ = (_та^) - К (6)
По значению тангенса угла наклона экспериментальной прямой к оси абсцисс можно
определить К1тах. Это дает возможность ставить минимально необходимое число опытов для нахождения уравнения прямой и, самое главное, не дожидаться установления
равновесного значения lmax, рискуя столкнуться с набуханием полимера текстильного волокна при большой длительности эксперимента.
При наличии величины Rlmax дальнейший алгоритм расчетов прост. По уравнению (6) рассчитывается значение константы К, определяемое размерами капилляров r (4) и равновесное значение lmax. Подставляем найденное значение r в уравнение Жюрена (1) и вычисляем значение cos в.
На рисунке 1 представлен пример обработки экспериментальных данных по капиллярности ткани в координатах уравнения (6) для одного из изученных нами смешанных растворов. Экспериментальные точки хорошо ложатся на прямую линию, что отражает адекватность предложенного метода аппроксимации.
Неонол+Оксифос (0,7/0,3)
1/1, 1/см | ♦ основа О уток |
Рис. 1. Зависимость скорости от высоты поднятия по вертикальному образцу хлопчатобумажной ткани растворов смесей ПАВ с различным соотношением компонентов по мольной доле
Построим график зависимости максимальной высоты поднятия растворов по вертикальному образцу хлопчатобумажной ткани от мольной доли одного из компонентов (оксифоса Б).
Рис. 2. Зависимость максимальной высоты поднятия от количественного состава смеси
ПАВ
На рисунке 2 видно, что наибольшее значение максимальной высоты поднятия жидкости наблюдается при соотношении оксифоса Б к неонолу АФ-9-10 при мольной доле первого ПАВ 0,2.
С этими же растворами был проведен эксперимент по определению их моющей способности. Для определения моющей способности определяем коэффициент отражения света чистого, загрязненного и отмытого данным раствором образца хлопчатобумажной ткани. Значение моющей способности вычисляется по формуле
R - R
МС = -С-----^-100, (7)
Rи - -З
где МС - моющая способность в %; —с, —З, —И - коэффициенты отражения света
соответственно очищенной, загрязненной и исходной (незагрязненной) ткани.
Результаты исследования моющей способности Оксифоса Б в смеси с Неонолом АФ-9-10 представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость моющей способности смеси поверхностно-активных веществ от мольной доли оксифоса Б
Видно, что моющая способность увеличивается при увеличении в смеси доли оксифоса Б. Для идеально-смешанного раствора моющая способность должна изображаться отрезком прямой, соединяющей величины моющей способности бинарных растворов. Однако согласно нашим экспериментальным данным максимальное значение моющей способности также как и максимальной высоты поднятия жидкости по капиллярам наблюдается при соотношении оксифоса Б и неонола АФ-9-10 по мольной доле 0,2 к 0,8.
Сравнивая рис. 1 и 3, можно сделать вывод о том, что смачивающая и моющая способность раствора коррелируются между собой. Возможное объяснение наблюдаемой неаддитивности свойств заключается в следующем. Неидеальность процесса смешения бинарных растворов вызвана взаимодействием компонентов, в результате которого изменяется величина энтропийной составляющей по сравнению с энтропией идеального
смешения (T^ Ni 1п Ni, где Ni - мольная доля /-го компонента) и появляется
/
энтальпийная составляющая изменения энергии Гиббса при образовании смешанного раствора. Неидеальность смешанного раствора проявляется и в разнице в составах смешанных адсорбционных слоев и смешанных растворов. Если принять, что превалирующим фактором моющего действия служит адсорбция ПАВ, то при составе
раствора, соответствующем максимуму моющего действия, должен образовываться наиболее плотный насыщенный адсорбционный слой. Но адсорбционные слои такого же состава должны образовываться и в эксперименте по капиллярному поднятию растворов того же состава. В этом случае избыточные межфазные энергии на границах раздела фаз «жидкое - твердое» и «жидкое - газ» будут минимальны, что приведет к максимальному смачиванию и будет отвечать наибольшему поднятию жидкости по вертикальному образцу ткани.
Если наша гипотеза верна, то именно адсорбция ПАВ служит «лимитирующей» стадией моющего действия, а смачиваемость, определяемая нашим методом, может служить критерием оценки моющей способности (по крайней мере, в системах, аналогичных изученным).
Литература
1. Агеев А.А., Волков В.А. Поверхностные явления и дисперсные системы в производстве текстильных материалов и химических волокон. Учебник для вузов. М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. 464 с.
2. Агеев А.А., Дроздова Е.Г. Метод изучения смачивания и капиллярных характеристик текстильных материалов. Наука - сервису: XI-я Международная научно-практическая конференция. Секция «Проблемы и решения теоретических и прикладных задач сервисных технологий». Ч. 1. Сборник научных статей. М.: ГОУВПО «МГУС», 2006. С. 16-22.
