Основы теории стабилизации полимерных дисперсий

УДК 667.646.42 М.А. Чижова

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ДИСПЕРСИЙ

В статье рассмотрены вопросы по теории стабилизации полимерных дисперсий, силы взаимодействия между коллоидными частицами и факторы, влияющие на устойчивость растворов к коагуляционным процессам.

Ключевые слова: дисперсия, коллоидный раствор, стабилизация, устойчивость, частица, натяжение.

M.A. Chizhova FUNDAMENTALS OF THE THEORY OF POLYMERIC DISPERSIONS STABILIZATION

The issues on the theory of stabilisation of polymeric dispersions, forces of interaction among the colloidal particles and the factors influencing the solutions stability to the coagulatory processes are considered.

Key words: dispersion, colloidal solution, stabilization, stability, particle, pull.

Дисперсные системы обладают «избытком» энергии, обусловленной наличием развитой межфазной границы. Если этот избыток не компенсируется лиофильностью, то устойчивость коллоидного раствора носит кинетический характер, т.е. связана с существованием потенциального барьера, препятствующего необратимому слипанию дисперсных частиц при столкновениях в процессе броуновского движения.

В случае коллоидных растворов потенциальный барьер выражает особое энергетическое состояние «пристенной», т.е. примыкающей к коллоидной частице части дисперсионной среды. Толщина пристенного слоя, находящегося в измененном энергетическом состоянии, по сравнению с объемной частью среды составляет 30-50 нм. Графический потенциальный барьер находят из так называемых потенциальных кривых, выражающих зависимость потенциальной энергии пары соседних частиц от расстояния между ними Н (11н > 0 - отталкивание, а 11н < 0 - притяжение между частицами) (рис.).

| Я?“- i ¿V Но

^ I 1 ——.—««г-5

Потенциальные кривые взаимодействия между двумя дисперсными частицами для устойчивых

и неустойчивых (3) дисперсий

Кривая 1 отвечает дисперсии, в которой при всех расстояниях между частицами преобладают силы отталкивания; такие дисперсии возникают при адсорбционном насыщении или пересыщении их ПАВ и характеризуются повышенной устойчивостью. Кривая 2 имеет вблизи Но «потенциальную яму»; такие дисперсии весьма устойчивы и склонны к образованию периодических коллоидных структур. Кривая 3 имеет дис-

127

персии неустойчивые. Качественные оценки причин возникновения потенциального барьера и природы устойчивости лиофобных коллоидов разнообразны [1]. Для количественной оценки агрегативной устойчивости применяют физическую теорию Дерягина-Ландау-Фервея-Овербаха (ДЛФО) [2] и термодинамическую теорию устойчивости. К неионно-стабилизованным применима термодинамическая теория [3-4]. Кроме того, устойчивость большинства водных дисперсий достигается за счет присутствия в них эмульгаторов - ди-фильных ПАВ. Предельная адсорбция ПАВ на межфазной границе полимер-вода отвечает критической концентрации мицеллообразования данного ПАВ в водной фазе. Для большинства ПАВ и синтетических латек-сов предельная адсорбция отвечает содержанию 3-5 % эмульгатора. При этом поверхностное натяжение находится в пределах 32-45 мДж/м2 (мН/м). Защитное действие ПАВ обычно представляют следующим образом. При сближении частиц в процессе броуновского движения возникает расклинивающее давление за счет электростатического отталкивания одноименно заряженных поверхностей (по физической теории) или гидротационных эффектов (по термодинамической теории). Если частицы преодолевают расклинивающее давление и продолжают сближаться, то ПАВ десорбируются, мигрируют из жидкой прослойки и происходит образование межчастичного контакта - элементарный акт коагуляции.

Сближение частиц в дисперсии происходит достаточно быстро, возрастание адсорбции «отстает» от равновесного и частицы могут «продавить» адсорбционный слой ПАВ. Устойчивость дисперсии, таким образом зависит от «статической» прочности адсорбционного слоя и от кинетических факторов: скорости перемешивания, вязкости дисперсионной среды, температуры (определяющей интенсивность броуновского движения).

Одним из способов, понижающих устойчивость пленкообразующих дисперсий или приводящих к коагуляции, является добавление электролитов. Но использование неионно-стабилизованных дисперсий, в частности, дисперсий поливинилацетата, не требует жесткого контроля отсутствия водорастворимых солей, так и на устойчивость таких дисперсий присутствие солей даже в заметных количествах практически не влияет, но влияет на водостойкость покрытий.

Еще одним фактором является наличие других дисперсных фаз (порошков, эмульсий). В этом случае на «новых» поверхностях раздела фаз происходит адсорбция ПАВ, покидающих адсорбционные слои исходной дисперсии. Адсорбционное равновесие смещается в сторону уменьшения адсорбционной насыщенности полимерных глобул и система становится менее устойчивой.

Межфазное натяжение на границах полимер-вода составляет 10-40 мДж/м2, (мН/м), а на границах пигмент-вода - до 100 мДж/м2 и более. Эмульгаторы обладают обычно меньшей поверхностной активностью к полимерным частицам. В связи с этим практически невозможно провести непосредственное совмещение водной дисперсии полимера с сухим пигментом, а пасты диспергированных в воде пигментов обязательно содержат ПАВ, адсорбирующиеся на частицах минеральной фазы. Такие пасты лучше совмещаются с пленкообразующими дисперсиями.

Водные дисперсии полимеров замерзают при температуре ниже 0оС в зависимости от содержания ПАВ и других гидрофильных добавок. В замороженной дисперсии полимерные частицы вынуждены контактировать за счет внутренних напряжений, обусловленных ростом кристалликов льда в жидких прослойках. Возникающие при этом силы велики и могут преодолевать защитное действие адсорбционных слоев (в которых вода не замерзает до температуры -400С). Неионно-стабилизованные дисперсии поливинилацетета, стабилизованные поливиниловым спиртом, значительно более морозостойкие, чем ионно-стабилизованные латексы.

При разведении водой дисперсий полимеров адсорбционное равновесие смещается в результате увеличения содержания ПАВ в водной фазе и десорбции ПАВ с границы полимер-вода, при этом устойчивость понижается.

Все виды интенсивных механических (точнее гидродинамических) воздействий (перемешивание, распыление через сопло) на дисперсии являются факторами, ускоряющими коагуляционные процессы, поскольку при этом увеличивается частота и интенсивность соударения частиц и повышается вероятность преодоления потенциального барьера. При механических воздействиях коагуляционные процессы протекают локально и сопровождаются накоплением полимерного геля, а не коагуляцией всей дисперсии. Однако появление даже небольших количеств коагулюма является недопустимым, поскольку приводит к затруднениям при нанесении (в частности, методом распыления). Поэтому пленкообразующие дисперсии стараются не подвергать интенсивному перемешиванию [5].

Наличие в водной дисперсии ПВА и в водной пигментной пасте ПАВ недостаточно для получения устойчивой системы. При создании комплекса вода-полимер-пигмент-краситель необходимо дополнительное добавление ПАВ.

Литература

1. Кузьмичев, В.И. Водорастворимые пленкообразователи и лакокрасочные материалы на их основе / В.И. Кузьмичев, Р.К. Абрамян, М.П. Чагин. - М.: Химия, 1986. - 152 с.

2. Шелудко, А. Коллоидная химия / А. Шелудко. - М.: Мир, 1984. - 320 с.

3. Лебедев, А.В. Коллоидная химия синтетических латексов / А.В. Лебедев. - Л.: Химия, 1976. - 100 с.

4. Нейман, Р.Э. Коагуляция синтетических латексов / Р.Э. Нейман. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1967. - 188 с.

5. Верхоланцев, В.В Физико-химия пленкообразующих систем / В.В. Верхоланцев. - Л.: ЛТИ им. Ленсо-

вета, 1973. - 126 с.

6. Рыбин, Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов / Б.М. Рыбин. - М.: мГУл, 2003. - 568 с.

'--------♦------------

УДК 637.552:631.52 Л.С. Зобнина, Л.А. Прошко, А.И. Машанов

ПРИГОТОВЛЕНИЕ МЯСНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И СПОСОБЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЕВЫХ БЕЛКОВЫХ ИЗОЛЯТОВ

В статье рассмотрены способы приготовления мясных эмульсий, а также технологической подготовки и использования соевых белковых изолятов. Для разработки эмульгированных мясопродуктов даны конкретные рекомендации.

Ключевые слова: функционально-технологические свойства, белки, соя.

L.S. Zobnina, 1..А. Proshko, A.I. Mashanov

MEAT EMULSION PREPARATION AND THE WAYS OF TECHNOLOGICAL PREPARATION AND USE OF SOYA ALBUMINOUS ISOLATORS

The ways of meat emulsions preparation and also technological preparation and use of soya albuminous isolators are considered in the article. The concrete recommendations for the emulsified meat products development are given.

Key words: functional-technological properties, albumens, soya.

Неоднородность состава мясного сырья и низкие функционально-технологические свойства некоторых его видов существенно усложняют процесс получения стабильных мясных эмульсий. Эту проблему легко решить, применяя белковые препараты, и, в первую очередь, соевый белковый изолят (СБИ), как компенсатор и заменитель мышечных белков. Наличие прекрасных функционально-технологических свойств у СБИ (высокая эмульгирующая, гелеобразующая, водосвязывающая и текстурирующая способность, стойкость к действию соли и повышенных температур) и выраженная их совместимость с мышечными белками не требуют специальных условий подготовки СБИ при приготовлении с их участием мясных эмульсий (рис.)[1].

Использование соевых белковых изолятов