Пенообразующие свойства водных растворов препаратов поверхностно-активных веществ группы Zetesol

Труды БГТУ, 2016, № 4, с. 11-15

11

УДК 66.069.85:544.77

Г. Г. Эмелло, Ж. В. Бондаренко, Т. В. Харлан

Белорусский государственный технологический университет

ПЕНООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРЕПАРАТОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ГРУППЫ ZETESOL

Изучено пенообразование в водных растворах препаратов анионных поверхностно-активных веществ ZETESOL ZN и ZETESOL MG с концентрациями 0,01-5,00 г/л. Получение пен осуществляли на приборе Росс-Майлса. Пенообразующую способность оценивали по пенному числу и устойчивости пен. Установлено, что необходимая пенообразующая способность достигается в растворах препаратов ZETESOL ZN и ZETESOL MG при концентрации, превышающей 0,2 г/л. Все полученные пены являются высокоустойчивыми. Определено, что пенообразующая способность препаратов связана с их поверхностно-активными и коллоидно-химическими свойствами. Изучение кинетики устойчивости пен показало, что разрушение пен происходит в течение первых 3,5 мин их существования.

На основании экспериментальных данных разработан состав гигиенического моющего средства, получен опытный образец пены для ванн, который проанализирован по основным органо-лептическим и физико-химическим показателям. Проведенный анализ показал его соответствие требованиям СТБ 1675-2006 «Изделия косметические гигиенические моющие. Общие технические условия».

Ключевые слова: анионный препарат ПАВ, пенное число, устойчивость пен, кинетика устойчивости пен, гигиеническое моющее средство.

G. G. Emello, Zh. V. Bondarenko, T. V. Kharlan

Belarusian State Technological University

FOAMING PROPERTIES OF SURFACTANTS' WATER SOLUTIONS

OF ZETESOL GROUP

Foaming process in surfactants' water solutions of ZETESOL ZN and ZETESOL MG in concentration 0.01-5.00 g/l has been investigated. The Ross-Miles device has been used to obtain foams. The foam ability was characterized by the initial foam volume and foam stability. It was proved that optimal foaming ability has been observed with concentration of above-mentioned surfactants above 0.2 g/l. All received foams have been highly resistant. Besides, it was established that foam stability of preparations depends on surface-active and colloidal-chemical properties. Studying the kinetics of foam stability showed that foam destructions happened at first 3.5 minutes of existence.

The composition of hygienic detergent was developed based on experimental data. The detergent prototype was analyzed on the main organoleptic and physicochemical characteristics. The carried out analysis of prototype proved its compliance to requirements of STB 1675-2006 "The cosmetic hygienic washing products. General characteristics".

Key words: anion surfactant specimens, foamy number, stability of foams, kinetics stability of foams, hygienic detergent.

Введение. Многие отрасли промышленности связаны с пенообразованием. При этом, с одной стороны, появление пены в ходе основного технологического процесса или его отдельных стадий может быть крайне нежелательным. В других случаях технология предусматривает специальное добавление пенообразователей для повышения эффективности данного процесса. Например, детергирующее действие моющих средств невозможно без пенообразования.

Основными пенообразующими агентами являются индивидуальные поверхностно-активные вещества (ПАВ) и препараты на их основе. В связи с увеличением потребности в данных компонентах, в том числе и для гигие-

нических моющих средств (ГМС), производство препаратов ПАВ в последние годы значительно увеличилось. Особо важное значение приобретают этоксилированные препараты ПАВ, обладающие более мягким дерматологическим действием по сравнению с неэтоксили-рованными анионными препаратами. К данной группе относятся препараты на основе лаурет сульфатов металлов, которые не являются индивидуальными поверхностно-активными веществами. Свойства этих препаратов могут отличаться от свойств поверхностно-активных ингредиентов, так как они содержат в своем составе примеси. Такие препараты мало изучены и не представлены в справочной литературе.

Основная часть. Целью данной работы явилось изучение пенообразующих свойств препаратов ПАВ на основе лаурет сульфата цинка (2БТБ80Ь и лаурет сульфата магния (2БТБ80Ь МО) со степенью этоксилиро-вания, равной 3.

Состав препаратов ПАВ группы 2БТБ80Ь представлен в табл. 1, из которой следует, что препараты значительно отличаются содержанием поверхностно-активного ингредиента (лау-рет сульфат металла), а также количеством присутствующих в них примесей.

анализ [3]. На рис. 2 представлена зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворов ПАВ. Поверхностное натяжение (о, мДж/м2) определяли сталагмометрическим методом при температуре 18°С, концентрация ПАВ в растворе составляла 0,01-5,00 г/л. Из рис. 2 видно, что исследуемые препараты ПАВ являются коллоидными. Определенные нами ранее критические концентрации мицеллообра-зования (ККМ) оказались близки и составили 0,8-1,0 г/л (1,22  10-3 моль/л для 2БТБ80Ь МО и 1,16  10-3 моль/л для 2БТБ80Ь Ш) [3].

Таблица 1

Состав препаратов ПАВ

Наименование ингредиента Содержание ингредиента, %

гБТБ80ь гк 2БТБ80Ь Мв

Лаурет сульфат металла 25,00 50,00

Лаурет-3 1,00 5,00

Сульфат металла 0,30 2,00

Феноксиэтанол - 0,15

Вода 73,70 42,85

Получение пен осуществляли на приборе Росс-Майлса при температуре 17°С. Концентрацию растворов варьировали в интервале 0,01-5,00 г/л (по поверхностно-активному ингредиенту). Растворы готовили в дистиллированной воде, чтобы избежать влияния солей жесткости. Способность к пенообразованию оценивали по пенному числу (ПЧ, мм) в соответствии с [1]. Результаты представлены на рис. 1.

2 ♦ 1

1п с

Рис. 1. Зависимость пенного числа от концентрации растворов ПАВ: 1 - 2БТБ80Ь Мв: 2 - 2БТБ80Ь гк

Известно [2], что пенообразующая способность ПАВ связана с поверхностно-активными и коллоидно-химическими свойствами их водных растворов. Ранее нами были изучены эти свойства для препаратов ПАВ 2БТБ80Ь Мв и гБТБ80Ь гК и проведен их сравнительный

-3 -2 -1 0 1п с

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворов ПАВ: 1 - 2БТБ80Ь Мв; 2 - гБТБ80Ь гК

Анализ рис. 1 и 2 показал корреляцию зависимостей ПЧ = / (1п с) и о = / (1п с). В области молекулярных (истинных) растворов ПАВ с ростом концентрации от 0,01 (1п с = -4,6) до 0,50 г/л (1п с = -0,69) поверхностное натяжение на границе «раствор ПАВ - воздух» уменьшается в 1,9-2,0 раза, что способствует процессу пенообразования: пенное число возрастает в 20 раз. Численные значения ПЧ близки для двух препаратов при аналогичных концентрациях растворов. Это закономерно, так как поверхностно-активные свойства препаратов определяются свойствами поверхностно-активного аниона С12Н25-0-(СН2СН20)3-803-.

В коллоидных растворах препаратов с ростом концентрации ПАВ от 1,0 до 5,0 г/л (1п с от 0 до 0,6) поверхностное натяжение практически постоянно в связи с образованием насыщенного мономолекулярного слоя на поверхности раствора. Способность к пенообразованию при этом также практически не изменяется для обоих препаратов ПАВ, поскольку при достижении ККМ образуется максимальный объем пены, так как завершается формирование адсорбционного слоя, приобретающего максимальную механическую прочность [2]. Следует отметить, что в мицеллярных растворах двух

препаратов при одинаковых концентрациях численные значения поверхностного натяжения ниже, а пенные числа выше для препарата ПАВ 2БТБ80Ь гм что можно объяснить меньшим содержанием примесей в его составе (табл. 1).

Согласно требованиям, предъявляемым к гигиеническим моющим средствам [4], пенное число для шампуней должно быть не менее 100 мм и не менее 145 мм для других продуктов (гели для душа, пены для ванн и др.). Из рис. 1 следует, что необходимая пенообразующая способность достигается в растворах препаратов 2БТБ80Ь гК и 2БТБ80Ь МО при концентрации ПАВ, превышающей 0,2 г/л (1п с = -1,6).

Важным фактором для обеспечения моющего действия ГМС является устойчивость пен, т. е. способность сохранять во времени первоначальный объем. Количественно стабильность пены можно оценить параметром «устойчивость» (У, %), представляющим собой отношение высоты столба пены через 5 мин к начальной высоте. На рис. 3 представлена зависимость устойчивости пен от концентрации растворов ПАВ.

1п с

Рис. 3. Устойчивость пен от концентрации растворов ПАВ: 1 - гБТБ80Ь Мв; 2 - 2БТБ80Ь гК

Исследования показали, что устойчивость пен, полученных из растворов препарата 2БТБ80Ь Мв, с ростом концентрации от 0,01 до 0,10 г/л повышается в 2,2 раза, достигая значения 91,9%, в то время как стабильность пен, образованных в растворах препарата 2БТБ80Ь увеличивается в интервале концентраций 0,01-0,50 г/л от 79,5 до 93,1%.

Стабильность пен определяется структурой защитной оболочки вокруг пузырьков воздуха, сформированной из поверхностно-активных анионов. При этом реализуется электростатический фактор стабилизации (пузырьки воздуха приобретают отрицательный заряд в силу адсорбции лаурет сульфат ионов) и структурно-механический фактор

стабилизации (длинноцепочечные углеводородные радикалы ионов ПАВ переплетаются между собой, образуя сетчатые структуры). Попадание примесей (лаурет-3, феноксиэта-нол) на границу раздела «раствор ПАВ - воздух» не способствует стабильности пены. Поэтому более высокую устойчивость имеют пены, полученные из растворов препарата на основе лаурет сульфата цинка.

Из рис. 3 также следует, что максимально устойчивые пены образуются при концентрациях растворов, не достигших ККМ: 0,05 г/л для препарата 2БТБ80Ь гК и 0,1 г/л для 2БТБ80Ь Мв. Выше указанных концентраций все пены являются высокостабильными, их устойчивость составляет 92-94%. Согласно требованиям, предъявляемым к ГМС [4], устойчивость пены должна быть не менее 80%, что осуществимо в растворах препарата 2БТБ80Ь гК с концентрацией ПАВ более 0,02 г/л, а в растворах 2БТБ80Ь Мв - более 0,04 г/л.

При использовании ГМС необходимо, чтобы пена не разрушалась на протяжении времени применения препарата. Особенно важен данный показатель для таких средств, как пена для ванн. В связи с этим была исследована кинетика разрушения пен. На рис. 4 представлены зависимости высоты столба пен, полученных из водных растворов исследуемых препаратов ПАВ с концентрациями 0,01-5,00 г/л, от времени их существования.

Как видно из представленных на рис. 4 данных, разрушение пен происходило в течение первых 3,5 мин их существования. В зависимости от концентрации ПАВ растворов препаратов группы 2БТБ80Ь уменьшение высоты столба пен в течение исследуемого временного интервала составило 6-10 мм. Относительная максимальная скорость разрушения пен зафиксирована в первые 30 с: с ростом концентрации ПАВ в растворе от 0,01 до 5,00 г/л она увеличивалась от 2,5-3,4 до 16-18 мм/мин. В интервале 0,5-3,5 мин скорость разрушения пен снижается, после 4,0 мин системы достигают равновесия, высота столба пены не изменяется, разрушение пен не происходит.

На основании исследований и анализа литературы разработан состав ГМС - пены для ванн, который включал следующие компоненты: анионный препарат ПАВ 2БТБ80Ь Мв, неионогенный препарат ПАВ С0МРБКБАК КБ, поливинилпирролидон, эфирное масло, поваренную соль, краситель, консервант и воду. В лабораторных условиях получен образец ГМС и определены его органолептические и физико-химические показатели. Они представлены в табл. 2 в сравнении с требованиями СТБ 1675-2006.

л К

IS

ев Ю

ч о н о ев Н О О

3 И

-а

«

(D

С

ев Ю

ч о н о ев Н О О

и

300 250 200 150 100 50 0

300 250 200 150 100 50 0

----

Д--д.....

-п---

-*--------ж-----

--Д--

— -----— —

Таблица 2

Показатели качества косметического средства

5 Наименование Значение показателя

4 показателя образца по СТБ 1675-2006

3 Цвет Синий Свойственный цвету

конкретной продукции

2 Запах Запах Свойственный запаху

лаванды конкретной продукции

1 Значение рН 7,44 5,0-8,5

ПЧ, мм 152 не менее 145

У, % 98 не менее 80

-----Я __. ___g

Д'-д-----

- 43-- 4— ф

1 1 -

Время, мин

б

Рис. 4. Кинетика разрушения пен, полученных из растворов препаратов: а - гБТБ80Ь Ыв; б - гБТБ80Ь гк Концентрация ПАВ в растворе, г/л: 1 - 0,01; 2 - 0,05; 3 - 0,1; 4 - 0,5; 5 - 1,0; 6 - 5,0

Заключение. Таким образом, изучено пе-нообразование в водных растворах препаратов ПАВ гБТБ80Ь гк и гБТБ80Ь Ыв с концентрациями 0,01-5,00 г/л. Установлено, что необходимая пенообразующая способность (не менее 145 мм) достигается в растворах препаратов гБТБ80Ь гк и гБТБ80Ь Ыв при концентрации ПАВ, превышающей 0,2 г/л; полученные при указанной концентрации пены являются высокоустойчивыми. Показана связь пенообразующей способности препаратов с их поверхностно-активными и коллоидно-химическими свойствами. На основании экспериментальных данных разработан состав гигиенического моющего средства, получен опытный образец пены для ванн, который проанализирован по основным органолептиче-ским и физико-химическим показателям. Проведенный анализ показал его соответствие требованиям СТБ 1675-2006 «Изделия косметические гигиенические моющие. Общие технические условия».

Литература

1. Средства моющие синтетические. Метод определения пенообразующей способности: ГОСТ 22567.1-77. Введ. 01.07.1978. М.: Изд-во стандартов, 1986. 7 с.

2. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия, 1975. 264 с.

3. Свойства водных растворов препаратов ПАВ группы ZETESOL / Г. Г. Эмелло [и др.] // Труды БГТУ. 2015. № 4: Химия, технология орган. в-в и биотехнология. С. 14-18.

4. Изделия косметические гигиенические моющие. Общие технические условия: СТБ 16752006. Введ. 23.07.2013. Минск: Государственный комитет по стандартизации Республики Беларусь, 2014.12 с.

References

1. GOST 22567.1-77. The synthetic detergents. Method of determination of foam-forming ability. Moscow, Standartinform Publ., 1986. 7 p. (In Russian).

2. Tikhomirov V. K. Peny. Teoriya i praktika ikh polucheniya i razrusheniya [Foams. Theory and practice of their formation and decomposition]. Moscow, Khimiya Publ., 1975. 264 p.

3. Emello G. G., Bondarenko Zh. V., Gerasimovich V. A., Kharlan T. V. The properties of water solution of surfactant specimens of Zetesol group. Trudy BGTU [Praceedings of BSTU], 2015, no. 4: Chemistry, Organic Substances Technology and Biotechnology, pp. 14-18 (In Russian).

4. STB 1675-2006. The cosmetic hygienic washing products. General specifications. Minsk, State Committee on Standardization of Republic of Belarus Publ., 2014. 12 p. (In Russian).

6

а

1

0

1

Информация об авторах

Эмелло Галина Геннадьевна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры физической и коллоидной химии. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: galina-emello@rambler.ru

Бондаренко Жанна Владимировна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры химической переработки древесины. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: bondarenko_zhanna@belstu.by

Харлан Татьяна Владимировна - студентка. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь).

Information about the authors

Emello Galina Gennadi'yevna - PhD (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor, Department of Physical and Colloid Chemistry. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail:galina-emello@rambler.ru

Bondarenko Zhanna Vladimirovna - PhD (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor, Department of Chemical Processing of Wood. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: bondarenko_zhanna@belstu.by

Kharlan Tatyana Vladimirovna - student. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus).

Поступила 18.02.2016