Подбор оптимального метода измерения межфазного натяжения на границе вода/масло

УДК 544.72

Н. В. Саутина, Э. Ф. Зарипова

ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ

НА ГРАНИЦЕ ВОДА/МАСЛО

Ключевые слова: межфазное натяжение, косметические масла, граница раздела вода/масло.

Измерено межфазное натяжение ряда различных по полярности и растекаемости косметических масел: масло зародышей пшеницы, шиповника, жожоба, календулы, моринги, касторовое и вазелиновое масло. В качестве методов исследования применялся метод висящей капли, сталагмометрический и метод покоящейся капли. Показано, что метод покоящейся капли наиболее точен в широком диапазоне значений межфазного натяжения.

Keywords: interfacial tension, cosmetic oils, interface water / oil.

Interfacial tension of the range of cosmetic oils with different polarity and spreadability, such as: wheat germ oil, rosehip, jojoba, calendula, moringa, castor and vaseline oil were measured. The method of pendant drop, counting drop and sessile drop methods were used as the methods of research. The advantages of the sessile drop method for measuring values of interfacial tension in the wide range were found.

Введение

Эмульсионные системы составляют основу современных косметических средств и фармацевтических препаратов [1]. Важным параметром, по которому можно предсказать стабильность эмульсионных систем является межфазное натяжение. Это одна из основных характеристик систем, находящихся в жидком агрегатном состоянии, фактор интенсивности поверхностной энергии, оценка межмолекулярных сил. Межфазное натяжение является функцией изменений, происходящих в объеме фазы и на границе раздела, и, следовательно, может служить критерием активности исследуемых соединений на межфазной границе. Развитие молекулярной теории межфазного натяжения различных жидкостей и консистенций является одной из современных актуальных проблем [2].

При взаимодействии двух жидкостей, наличие над слоем первой жидкости слоя другой, несмешивающейся с ней жидкости, приводит к понижению межфазного поверхностного натяжения, поскольку молекулы второй жидкости притягивают к себе молекулы первой и таким образом уменьшают действие некомпенсированных сил на поверхности первой жидкости [3].

В настоящее время существует много методов, позволяющих определять межфазное натяжение между двумя жидкостями: метод пластинки Вильгельми (универсальный метод, особенно подходящий для контроля поверхностного натяжения в течении длительного интервала времени), быстро вращающейся капли (измеряет диаметр капли внутри тяжелой фазы во время их совместного вращения), сталагмометрический (метод взвешивания и счета капель жидкости), метод висящей капли (оптическим анализом геометрии капли может измеряться межфазное натяжение даже при высоких температурах и давлениях), отрыва кольца (измеряет максимальное тяговое усилие, приложенное поверхностью к кольцу) и др. Несмотря на это, часто измерения, проводимые разными методами воспроизводятся

неточно. В связи с этим, представляло интерес сравнить несколько методов измерения межфазного натяжения с целью нахождения наиболее точного.

Экспериментальная часть

В качестве неполярной фазы были выбраны косметические масла, различные по полярности и растекаемости: масло зародышей пшеницы, шиповника, жожоба, календулы (OOO «Аспера Лтд»), моринги (Aromarti), касторовое и вазелиновое масло (ОАО "Татхимфармпрепараты"), в качестве полярной фазы применяли дистиллированную воду. Для измерения межфазного натяжения на границе раздела вода\ масло были выбраны методы: висящей капли [4], метод счета капель (сталагмометрический) [5], и метод, предложенный В. А. Евдокимовым -покоящейся капли [6]. Измерения смачивания и межфазного натяжения методом висящей капли проводились на приборе Cruss Easy Drop.

Обсуждение результатов

В результате измерения межфазного натяжения на границе вода/масло были получены следующие результаты (таблица 1).

Таблица 1 - Межфазное натяжение на границе вода/масло

П, мН/м

Название Метод Сталагмо- Метод

масла висящей метричес- покоящей-

капли кий метод ся капли

Вазелиновое 51,03 53,4 49,22

Жожоба 115,6 115,08 113,6

Оливковое 44,3 46,8 44,81

Шиповника 36,8 38,8 36,86

Календулы 56,15 56,15 53,2

Зородышей пшеницы 55,23 55,23 53,4

Моринги 40,6 40,6 52,01

Касторовое 36,2 36,2 36,19

Результаты, полученные различными методами близки, но не идентичны. Рассмотрим достоинства и недостатки примененных методов. В методе висящей капли, капля (или пузырек) вытягивается по мере роста до тех пор, пока гидростатическое давление не уравновесится давлением, обусловленным кривизной поверхности. Этот метод удобен, прост и автоматизирован. Изображение капли передается на экран прибора Cruss Easy Drop и по его показаниям снимается автоматически полученное значение межфазного натяжения. Еще одним преимуществом этого метода является небольшой расход вещества (около 5 мл). Тем не менее, если межфазное натяжение между двумя жидкостями велико, капля не помещается в пространство, фиксируемое камерой, изображение полностью не попадает в необходимое для измерений поле и результат нельзя считать достоверным.

Другой метод измерения - сталагмометрический - удобен и прост. Измерения производятся визуально - ведется подсчет капель жидкости, имеющей большую плотность, вытекающей в жидкость, имеющую меньшую плотность. Затем межфазное натяжение рассчитывается по следующей формуле:

Y = Yono / n,

где no — число капель воды в вазелиновое масло, n -число капель воды в исследуемое масло, Yo -межфазное натяжение на границе раздела фаз вода/ вазелиновое масло. Вазелиновое масло было выбрано за основу, так как межфазное натяжение на границе вода/вазелиновое масло является известной табличной величиной и составляет 52,5 мН/м.

Сталагмометрический метод весьма неточен, но применяется очень часто вследствие своей простоты и быстроты определения. Неточность метода вызывается настолько быстрым образованием поверхности капли, что между концентрацией вещества на ее поверхности и концентрацией его в жидкости не успевает установиться равновесие. Чтобы дать время для установления равновесия, нужно уменьшить скорость вытекания жидкости из капилляра. По нашим наблюдениям, этот метод хорош для измерения низких значений межфазного натяжения от 5-50 мН/м. Ультранизкие и высокие значения измерений этим методом получить с большой точностью не удается в связи с большим разбросом в значениях. Тем не менее этот метод до сего времени применяется в лабораторной практике

Одним из методов, с помощью которого можно судить о химическом и физическом состоянии нано-и микроскопических областей вблизи зоны контакта является метод измерения краевого угла смачивания. Известно, что этот метод очень сильно реагирует на все изменения в структуре смачивающего вещества и подложки. В связи с этим, представляет интерес определение межфазного натяжения методом покоящейся капли, предложенной в работе В. А. Евдокимова.

Согласно этой методике, для определения межфазного натяжения двух жидкостей необходимо

знать их поверхностные натяжения и краевой угол смачивания подложки на границе с воздухом. В связи с этим, нами было измерено поверхностное натяжение всех исследуемых масел. Данные представлены в таблице 2.

Таблица 2

косметических

жидкость/газ

Поверхностное натяжение масел на границе раздела

Наименование масла ст, мН\м

Шиповника 26,8

Оливковое 34,4

Зародышей пшеницы 34,0

Моринги 33,4

Календулы 34,5

Касторовое 36,9

Жожоба 31,8

Вазелиновое 35,2

В качестве подложки нами был выбран политетрафторэтилен - один из самых гидрофобных полимеров, что позволяет предотвратить полное растекание капли масла и более точно найти угол смачивания. На рис. 1 представлена фотография капли масла жожоба на данной подложке.

Рис. 1 - Изображение капли масла жожоба на поверхности политетрафторэтилена

Для нахождения краевого угла смачивания на границе жидкость/жидкость, наполняли прозрачную кювету той жидкостью, плотность которой меньше (в данном случае маслом). С помощью медицинского шприца опускали каплю второй жидкости (воды) в объем первой жидкости на подложку. Измеряли угол смачивания (рис.2).

Рис. 2 - Изображение капли воды, помещенной на политетрафторэтилен, погруженный в масло жожоба

Межфазное натяжение вода/масло рассчитывали по формуле:

о=( I ClaCos eAffl-fflfflbCos евШ) / Cos 6ab, где cLA и aLB -известные значения поверхностного натяжения жидкостей A и B; Cos eA и Cos ев -углы смачивания подложки жидкостями A и B на границе с воздухом; Cos eAB - угол смачивания масло/вода.

В связи с тем, что данным метод позволяет вычислить любой диапазон измерений межфазного натяжения, можно предположить, что он является наиболее точным для измерения этой величины.

Таким образом, на основании сравнения трех методов определения межфазного натяжения, найден наиболее на наш взгляд точный метод -метод покоящейся капли.

Литература

1. M. Kowalska, M. Mendryck, A. Zbikowska and S. Stawarz, Int. J. of Cosmetic Sci, 37, 1, 82-91 (2015).

2. M. Kowalska, M. Mendryck, A. Zbikowska Int. J. of Cosmetic Sci, 37, 4, 408-416 (2015).

3. В.А. Хорохордина, Ф.В. Тхинь, О.Б. Рудаков Сорбционные и хроматографические процессы, 8, 2, 332-338 (2008).

4. B. Song, J. Springer, J. of Colloid Interface Sci. 184, 64-76 (1996).

5. В.В. Назаров Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебное пособие для вузов, М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 374 с.

6. В. А. Евдокимов, Адгезия расплавов и пайка материалов, 42 (2009).

© Н. В. Саутина - канд. хим. наук, доц. каф. технологии косметических средств КНИТУ, n.sautina@mail.ru; Э. Ф. Зарипова -магистр той же кафедры.

© N. V. Sautina - Ph.D., Associate Professor, Department of Technology in cosmetics KNRTU, n.sautina@mail.ru; E. F. Zaripova -student of the Department of Physical and Colloid Chemistry KNRTU.