СРАВНЕНИЕ ГЛБ И ПОВЕРХНОСТНОЙ АКТИВНОСТИ НЕИОНОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ПРИРОДНЫХ МАСЕЛ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследования гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) и поверхностной активности неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), синтезированных из жирных кислот различных природных масел. Статья освещает экспериментальные методы извлечения жирных кислот и их взаимодействия с диэтаноламином для создания эффективных ПАВ. Результаты исследования предоставляют новые сведения о свойствах и потенциальном применении неионогенных ПАВ, что может оказаться полезным в различных промышленных областях, включая косметическую, фармацевтическую и химическую промышленность.

ABSTRACT

This article presents the results of a study of the hydrophilic-lipophilic balance (HLB) and surface activity of nonionic surfactants synthesized from fatty acids of various natural oils. The article highlights experimental methods for extracting fatty acids and their interaction with diethanolamine to create effective surfactants. The study results provide new insights into the properties and potential applications of nonionic surfactants, which may be useful in a variety of industrial applications, including cosmetics, pharmaceuticals and chemicals.

Ключевые слова: неионогенные поверхностно-активные вещества, жирные кислоты, диэтаноламин, критическая концентрация мицеллообразования, ПАВ.

Keywords: nonionic surfactants, fatty acids, diethanolamine, critical micelle concentration, surfactant.

Введение

В последние десятилетия наблюдается возрастающий интерес к изучению и разработке экологически безопасных и биоразлагаемых неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), производных жирных кислот природных масел. Эти соединения представляют собой значительный интерес для широкого спектра промышленных приложений, включая косметику, фармацевтику, пищевую промышленность и нефтегазовую отрасль. Основным параметром, определяющим эффективность и область применения ПАВ, является их гидрофобно-липофильный баланс (ГЛБ), который напрямую влияет на поверхностные и коллоидно-химические свойства этих соединений[1-3].

Данная статья посвящена сравнительному анализу ГЛБ и поверхностной активности неионогенных ПАВ, синтезированных из различных жирных кислот природных масел. Основное внимание уделяется изучению влияния структурных особенностей жирных кислот на ГЛБ и поверхностные свойства получаемых из них ПАВ. В работе рассматриваются такие ключевые аспекты, как методы синтеза ПАВ, их характеристики, поверхностное натяжение растворов и их способность к образованию мицелл[4, 5].

Исследование направлено на получение глубокого понимания взаимосвязи между химической структурой жирных кислот и функциональными свойствами производных ПАВ, что важно для разработки новых эффективных и экологически безопасных ПАВ для различных промышленных приложений.

Экспериментальная часть

В процессе получения ПАВ в качестве исходных материалов применялись различные растительные масла, включая подсолнечное, хлопковое и кокосовое, а также животные жиры, такие как курдючный и внутренний жиры. Использованный диэтаноламин, соответствует ТУ 2423-178-00203335-2007, характеризуется как вязкая прозрачная жидкость с массовой долей активного вещества не менее 98,0% и показателем преломления , находящимся в диапазоне 1,476-1,478.

В дополнение к этому, для реализации определенных этапов процесса использовались гидроокись натрия (Florida Laboratories) с массовой долей не менее 99,0% и серная кислота (Sigma Аldrich) с концентрацией 95,5%, КСl 99,9% по DIN ISO 9001.

Для получения жирных кислот из животного жира был выполнен следующий процесс. Сначала растворили 95,1 г NaOH в 1000 мл воды и нагрели до 70 °C. После этого добавили 740 г жира и продолжили нагревание с интенсивным перемешиванием на протяжении 6 часов. Затем приготовили 20%-ный раствор серной кислоты из 122,0 г концентрированной серной кислоты и 461,0 г воды.

Для обратного превращения мыла в жирные кислоты использовали 583,0 г этого раствора. Процесс завершили, когда лакмусовая бумага показала красный цвет.

Реакция между диэтаноламином и жирными кислотами проводилась в безрастворительной системе при соотношении 1:1. Добавили 3% катализатора Al₂O₃ от массы жирных кислот и провели реакцию в круглодонной колбе в атмосфере азота. Смесь нагревали до 70 °C на 30 минут, затем до 140 °C, перемешивая при 200 об/мин. Реакция длилась 3 часа. Выход продукции составил 93-97%.

Синтезированные ПАВ были условно названы, соответственно SSUNO, SCOTO, SCOCO, STAIF, SCAUF для ПАВ полученных на основе подсолнечного, хлопкового, кокосового масел и курдючного и внутреннего жира, соответственно.

Для определения ГЛБ синтезированных ПАВ было проведены исследования по данным [6, с 30-33]. Определение поверхностного натяжения ПАВ проводилось по методу Дью Нуи (метод отрыва кольца) [7, с 354-366].

Результаты и обсуждение

На основе экспериментальных исследований были получения значения ГЛБ для синтезированных ПАВ, которые приводятся в табл. 1.

Таблица 1.

Значения ГЛБ и молекулярной массы синтезированных ПАВ

Для всех изученных ПАВ наблюдается хорошее согласие между экспериментальными и расчётными значениями ГЛБ. Это указывает на достоверность экспериментальной методики и на то, что использованные теоретические подходы для расчёта ГЛБ адекватно отражают реальные свойства ПАВ.

Значения ГЛБ для большинства ПАВ находятся в диапазоне от 14.5 до 15.9, за исключением SCOCO, который имеет значительно более низкое значение ГЛБ (9.4-9.9). Это может указывать на различие в гидрофобных и гидрофильных свойствах SCOCO по сравнению с другими изученными ПАВ. Низкие значения ГЛБ обычно свидетельствуют о более высокой гидрофильности ПАВ.

Молекулярные массы ПАВ варьируются в пределах от 308.8 до 368.1. SCOCO, который имеет наименьшее значение ГЛБ, также обладает наименьшей молекулярной массой. Это может указывать на корреляцию между структурными особенностями молекулы ПАВ (которые влияют на молекулярную массу) и их гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Значения ГЛБ и молекулярные массы синтезированных ПАВ предоставляют важную информацию об их химической структуре и потенциальных применениях. ПАВ с более высоким ГЛБ, как правило, обладают более сильными гидрофобными свойствами и, следовательно, могут быть более эффективными в таких приложениях, где требуются повышенные гидрофобные взаимодействия, например, в эмульсионных системах. ПАВ с более низким ГЛБ, такие как SCOCO, могут быть предпочтительны в приложениях, требующих более высокой гидрофильности, например, в системах для повышения смачивания или диспергирования.

Кривая зависимости поверхностного натяжения от концентрации растворов синтезированных ПАВ с концентрацией от 0 до 2% по массе изображена на рис. 1.

Рисунок 1. Изменение поверхностного натяжения растворов ПАВ (25°С).

График, представленный на рисунке 1, показывает постепенное уменьшение поверхностного натяжения воды с повышением концентрации ПАВ. Это снижение связано с усиленной адсорбцией молекул ПАВ на границе вода-воздух, в результате чего поверхностное натяжение стабилизируется на уровне 38.1, 43.2, 44.1, 43.1 и 48.2 мН/м для SSUNO, SCOTO, STAIF, SCAUF и SCOCO, соответственно.

Среди исследованных соединений SCOCO показывает самое высокое значение поверхностного натяжения, подчеркивая важность размера гидрофобной алкильной цепи в контексте ее воздействия на снижение поверхностного натяжения. Экспериментальные данные также показывают, что с увеличением длины алкильной цепи наблюдается снижение поверхностного натяжения, что свидетельствует о влиянии длины цепи на свойства ПАВ.

Поверхностное натяжение и критическая мицеллярная концентрация (КМЦ) синтезированных ПАВ уменьшаются с увеличением длины алкильной цепи, что подтверждает важность липофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Высокий ГЛБ указывает на более сильную тенденцию амфифильных молекул к уменьшению поверхностного натяжения системы. В результате, синтезированное ПАВ SSUNO демонстрирует наивысшую эффективность в снижении поверхностного натяжения, тогда как SCOCO показывает наименьшую способность в этом отношении.

Анализ связи между ККМ и другими свойствами ПАВ, такими как их способность к пенообразованию или стабильность пены, начинается с оценки ККМ для различных образцов ПАВ. Используя зависимость поверхностного натяжения от логарифма концентрации ПАВ в растворе, были определены значения ККМ (выраженные в мг/л) для каждого образца, которые представлены в табл.2.

Таблица 2.

ККМ синтезированных ПАВ

В таблице представлены два различных значения ККМ для каждого ПАВ. Исходя из таблицы, SCOCO показывает наименьшие значения ККМ1 и относительно низкие значения ККМ2, что может указывать на лучшую способность к мицеллообразованию в более разбавленных растворах по сравнению с другими ПАВ.

SCAUF демонстрирует самые высокие значения ККМ₁ и ККМ2, что может свидетельствовать о том, что для образования мицелл требуется большая концентрация ПАВ, возможно, из-за более высокой молекулярной массы или меньшей поверхностной активности.

Если предположить, что более низкие значения ККМ коррелируют с лучшими пенообразующими свойствами и более высокой поверхностной активностью, то можно ожидать, что SCOCO будет лучше всего работать как пенообразователь в растворах с низкой концентрацией, в то время как SCAUF может потребовать более высоких концентраций для достижения аналогичного эффекта.

Существует обратная зависимость между значениями ККМ и поверхностной активностью ПАВ: чем ниже ККМ, тем выше поверхностная активность и, соответственно, лучше пенообразующие и мицеллообразующие свойства ПАВ. Это подтверждается сравнением с характеристиками пенообразования и стабильности пены, представленными ранее. ПАВ с более низкими значениями ККМ обычно показывают лучшие результаты в флотационных процессах.

Заключение

Экспериментальные исследования показали, что синтезированные неионогенные поверхностно-активные вещества (ПАВ) демонстрируют различные значения гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) и поверхностной активности, что коррелирует с их молекулярной массой и структурой.

Проведенное исследование критической концентрации мицеллообразования (ККМ) различных образцов ПАВ показало, что ККМ изменяется в зависимости от химической структуры и свойств ПАВ. Это дает возможность прогнозировать поведение ПАВ в различных системах и их применение в соответствии с потребностями.

Список литературы:

1. El-Shamy O.A.A., Khid T.T., Doheim M.M. (2011) Effect of ethoxylate chain length on the pour point depressant of middle distillate fuel oil. J Dispers Sci Technol 32:654–658.
2. Channouf R.B., Souissi N., Zanna S., Ardelean H., Bellakhal N., Marcus P. (2018) Surface characterization of the corrosion product layer formed on synthetic bronze in aqueous chloride solution and the effect of the adding of juniperuscommunis extract by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. Chem Afr 1:167–174.
3. Khalfallah A. (2023). Structure and Applications of Surfactants. IntechOpen. doi: 10.5772/intechopen.111401.
4. Nagtode V.S., Cardoza C., Yasin H.K.A., Mali S.N., Tambe S.M., Roy P, Singh K., Goel A., Amin P.D., Thorat B.R., Cruz J.N., Pratap A.P. Green Surfactants (Biosurfactants): A Petroleum-Free Substitute for Sustainability-Comparison, Applications, Market, and Future Prospects. ACS Omega. 2023 Mar 24;8(13):11674-11699. doi: 10.1021/acsomega.3c00591. PMID: 37033812; PMCID: PMC10077441.
5. Kent, J.A. (2003). Soap, Fatty Acids, and Synthetic Detergents. In: Kent, J.A. (eds) Riegel's Handbook of Industrial Chemistry. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-387-23816-6_27.
6. Кузнецов С.А., Кольцов Н.И. Определение гидрофильно-липофильного баланса ПАВ на основе растительных масел и полиэтиленгликолей // Вестник ЧувГУ. 2006. №2. С. 30-33.
7. Lunkenheimer K., Wantke K.D. Determination of the surface tension of surfactant solutions applying the method of Lecomte du Noüy (ring tensiometer). Colloid & Polymer Sci 259, 354–366 (1981). https://doi.org/10.1007/BF01524716.