ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ НЕИОНОГЕННЫХ ПАВ НА ПЕНООБРАЗОВАНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЮ ЭМУЛЬСИЙ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования пенообразующих и эмульгирующих свойств синтезированных неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), полученных на основе жирных кислот различных масел и жиров. Проведен анализ влияния химической структуры, длины углеводородной цепи и концентрации ПАВ на их пенообразующую способность и стабильность пены. Установлено, что ПАВ с короткими углеводородными цепями обладают более высокой пенообразующей способностью и эффективностью стабилизации эмульсий. Метод температурной инверсии фаз использовался для исследования эмульгирующих свойств ПАВ в системах с различными концентрациями дисперсной фазы. Выявлена корреляция между пенообразующей способностью и эффективностью эмульгирования ПАВ, что подчеркивает важность выбора оптимальных ПАВ для промышленных приложений. Полученные данные могут быть использованы для разработки новых многофункциональных продуктов в косметической, пищевой и других отраслях промышленности.

ABSTRACT

This article presents the results of a study on the foaming and emulsifying properties of synthesized nonionic surfactants (PAS) derived from fatty acids of various oils and fats. The influence of the chemical structure, hydrocarbon chain length, and concentration of surfactants on their foaming ability and foam stability was analyzed. It was found that surfactants with shorter hydrocarbon chains exhibit higher foaming capacity and more effective emulsion stabilization. The phase inversion temperature method was used to investigate the emulsifying properties of surfactants in systems with different concentrations of the dispersed phase. A correlation between foaming ability and emulsifying efficiency of the surfactants was identified, highlighting the importance of selecting optimal surfactants for industrial applications. The obtained data can be used to develop new multifunctional products in the cosmetic, food, and other industries.

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества (ПАВ), пенообразующая способность, стабильность пены, эмульгирующие свойства, температурная инверсия фаз, неионогенные ПАВ, стабилизация эмульсий, промышленные приложения.

Keywords: surfactants (PAS), foaming ability, foam stability, emulsifying properties, phase inversion temperature, nonionic surfactants, emulsion stabilization, industrial applications.

Введение

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) играют ключевую роль в различных отраслях промышленности, таких как пищевая, косметическая, фармацевтическая и нефтехимическая, благодаря их уникальной способности изменять поверхностные и межфазные свойства систем [5; 6]. Они широко используются в качестве пенообразователей, эмульгаторов, моющих и стабилизирующих агентов, что делает их незаменимыми компонентами в процессах создания и стабилизации эмульсий, пен и других дисперсных систем. В последние годы учеными все большее изучается синтез и исследование неионогенных ПАВ, основанных на натуральных компонентах, таких как масла и жиры, вследствие их биосовместимости и биоразлагаемости, что особенно важно в контексте экологической устойчивости и безопасности [1; 3; 4; 10].

Исследования, направленные на изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств ПАВ, приобретают всё большее значение. Понимание того, как структура ПАВ и условия их применения влияют на эффективность стабилизации пен и эмульсий, позволяет оптимизировать использование рассматриваемых нами веществ в различных технологических процессах. Изучение взаимосвязи между пенообразующей способностью и эмульгирующими характеристиками ПАВ также важно для разработки многофункциональных продуктов, обеспечивающих одновременно высокую стабильность и контроль параметров технологических систем [2; 7; 9; 11; 13].

Целью данного исследования является изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств синтезированных неионогенных ПАВ, полученных на основе жирных кислот различных природных источников, и их эффективности в различных условиях. В работе рассматриваются факторы, влияющие на пенообразование и стабилизацию эмульсий, такие как длина углеводородной цепи, концентрация ПАВ, температура фазовой инверсии и их комбинированное использование. Результаты исследования позволят расширить понимание о влиянии структуры и свойств ПАВ на их функциональные характеристики, что очень важно для применения поверхностно-активных веществ в различных отраслях промышленности.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использовались неионогенные поверхностно-активные вещества (ПАВ), синтезированные на основе жирных кислот из различных источников: подсолнечного, хлопкового и кокосового масел, а также курдючного и внутреннего жиров, обозначенные как ПАВМС, ПАВХС, ПАВКМ, ПАВКЖ и ПАВВЖ, соответственно.

Для определения пенообразующей способности готовили водные растворы ПАВ различной концентрации. Образец объемом 200 мл помещали в градуированный цилиндр объемом 1000 мл с крышкой и встряхивали при 25 °С, переворачивая цилиндр 30 раз с частотой 1 оборот за 2 секунды. Объем пены фиксировали сразу после встряхивания и через 5 минут [8].

Прямые эмульсии формировали в системе, содержащей углеводородное масло, ПАВ и 0,17 М водный раствор NaCl, используя метод температурной инверсии фаз. Концентрация углеводородного масла составляла 10–40 об. %, а концентрация ПАВКМ варьировалась от 1,0 до 7,5 об. %. Компоненты смешивали и нагревали в термостате до 80 °C на 15 минут, затем охлаждали до +5 °C в ледяной бане и перемешивали магнитной мешалкой в течение 5 минут.

Метод температурной инверсии фаз включает в себя нагревание компонентов до высокой температуры для формирования обратной эмульсии типа «вода в масле», после чего смесь быстро охлаждают ниже точки инверсии фаз, определяемой кондуктометрическим методом. В исследовании использовали системы с 10–40 об. % углеводородного масла, 3–5 об. % ПАВКМ и 0,17 М NaCl. Смесь нагревали до 80 °C и выдерживали 15 минут при умеренном перемешивании, затем охлаждали с шагом 2 °C, измеряя электропроводность для определения температуры инверсии фаз.

Результаты и их обсуждение

Результаты пенообразующей способности и устойчивости пены синтезированных поверхностно-активных веществ представлены в таблице 1. Все синтезированные ПАВ продемонстрировали сравнительно высокие значения пенообразования и стабильности пены, однако через 5 минут наблюдалось снижение высоты пены для всех составов.

Таблица 1.

Высота пены в момент образования и стабильность (высота после 5 мин)

Анализируя данные таблицы 1, можно сделать следующие научные выводы о пенообразующей способности и стабильности различных поверхностно-активных веществ (ПАВ) при изменении их концентрации.

С увеличением концентрации ПАВ от 0,1 до 1,0 % наблюдается значительное увеличение высоты образующейся пены для всех типов ПАВ. Например, высота пены для ПАВМС увеличивается с 61 мм при 0,1 % концентрации до 210 мм при 1,0 %. Это указывает на то, что увеличение концентрации ПАВ способствует увеличению объема образующейся пены.

Наибольшую пенообразующую способность при всех концентрациях демонстрирует ПАВКМ. При концентрации 1,0 % высота пены ПАВКМ достигает 270 мм, что значительно выше по сравнению с другими ПАВ. Это может быть связано с особенностями молекулярной структуры ПАВКМ, способствующими большему пенообразованию.

ПАВВЖ и ПАВКЖ показывают наименьшую пенообразующую способность среди всех исследованных ПАВ, особенно при низких концентрациях (0,1 %), где высота пены составляет 46 и 49 мм соответственно. Это может быть связано с их химическим составом или длиной углеводородной цепи.

С увеличением концентрации ПАВ также возрастает стабильность пены. Например, для ПАВМС при концентрации 0,1 % высота пены через 5 минут составляет 22 мм, тогда как при концентрации 1,0–90 мм. Аналогичная тенденция наблюдается и для других ПАВ.

ПАВКМ также показывает наивысшую стабильность пены при всех концентрациях. При концентрации 1,0 % высота пены через 5 минут составляет 160 мм, что превышает стабильность других ПАВ. Это свидетельствует о том, что ПАВКМ не только способствует интенсивному пенообразованию, но и обеспечивает более длительное сохранение пены.

Интересно отметить, что стабильность пены для некоторых ПАВ, таких как ПАВХС и ПАВВЖ, при концентрации 1,0 % одинакова (130 мм). Это может указывать на сходные физико-химические свойства или механизмы стабилизации пены у этих ПАВ.

В целом, увеличение концентрации ПАВ положительно влияет как на пенообразующую способность, так и на стабильность пены. Однако, чем выше концентрация, тем более выраженными становятся различия между разными типами ПАВ [12].

Исследование было направлено на определение оптимальных условий для создания прямых эмульсий, стабилизированных ПАВКМ, ПАВМС и ПАВХС, с использованием метода температурной инверсии фаз. Выявлено, что комбинированное применение нескольких поверхностно-активных веществ обеспечивает лучшую стабилизацию эмульсий по сравнению с использованием одного типа ПАВ. В работе были проанализированы эмульсии, полученные из смесей неионогенных ПАВ, таких как ПАВМС и ПАВХС, которые отличаются биосовместимостью, биоразлагаемостью и пригодны для применения в косметической и пищевой промышленности. В рамках исследования были изучены температуры фазовой инверсии, а также влияние концентрации дисперсной фазы и дисперсионной среды, типа ПАВ и интенсивности перемешивания на размер капель в эмульсиях.

На рисунке 1 представлены зависимости электропроводности от температуры для эмульсий, содержащих 15, 20 и 30 об. % углеводородного масла.

Рисунок 1. Изменение электропроводности системы (1) 3 % ПАВ, 15% ДФ; 2) 3 % ПАВ, 20% ДФ; 3) 5 % ПАВ, 15% ДФ; 4) 5 % ПАВ, 20% ДФ) в зависимости от температуры

На графике показана зависимость электропроводности системы от температуры для различных концентраций дисперсной фазы и поверхностно-активного вещества (ПАВКМ). Для всех кривых наблюдается общая тенденция: при увеличении температуры электропроводность сначала остаётся практически постоянной, затем резко снижается при достижении определённой точки. Этот спад соответствует фазовой инверсии, когда эмульсия типа «вода в масле» (W/O) переходит в эмульсию «масло в воде» (O/W).

Эмульсии с более высокой концентрацией дисперсной фазы (20 % и 30 %) показывают более высокую начальную электропроводность по сравнению с эмульсиями с меньшим содержанием (15 %), что может объясняться большим количеством проводящих частиц в системе. Также установлено, что повышение концентрации ПАВ с 3 % до 5 % ведет к увеличению температуры, при которой происходит фазовая инверсия. Это свидетельствует о том, что более высокая концентрация ПАВ способствует стабилизации структуры эмульсии типа «вода в масле», требующей более высокой температуры для перехода в «масло в воде».

Таким образом, результаты наблюдений демонстрируют влияние температуры на фазовое поведение эмульсий, стабилизированных ПАВКМ. Резкий спад электропроводности указывает на момент перехода эмульсии из одного типа в другой, что важно для понимания и управления процессами в различных промышленных применениях. На основании данных по электропроводности определены температурные диапазоны, в которых формируются обратные, бинепрерывные и прямые эмульсии. Фазовая диаграмма для системы с 5 об.  % ПАВКМ показана на рисунке 2, где видно, что по мере снижения температуры обратная эмульсия сначала превращается в бинепрерывную, а затем — в прямую.

Рисунок 2. Диапазоны температур образования различных эмульсий, стабилизированные: А) ПАВКМ; Б) смесь ПАВМС и ПАВХС

Оба графика показывают зависимости температур фазовых инверсий от концентрации дисперсной фазы для эмульсий, стабилизированных разными поверхностно-активными веществами (ПАВ). Различия в температурных характеристиках могут быть связаны с такими свойствами ПАВ, как гидрофильно-липофильный баланс и размер молекул. Температуры фазовой инверсии для эмульсий, стабилизированных ПАВКМ, находятся в диапазоне от 48 до 70 °С. Для формирования обратной эмульсии, переходящей в прямую при охлаждении, температура устанавливалась на 10 °С выше температуры фазовой инверсии, что определило выбор температуры в 80 °С.

C увеличением концентрации дисперсной фазы температура фазовой инверсии возрастает для всех типов эмульсий — вода-в-масле, бинепрерывных и масло-в-воде. На первом графике видно, что температуры фазовой инверсии для ПАВКМ выше, чем для смеси ПАВМС и ПАВХС на втором графике при тех же концентрациях, что указывает на лучшую эффективность ПАВКМ в стабилизации эмульсий при повышенных температурах.

В обоих случаях повышение концентрации дисперсной фазы требует более высокой температуры для инверсии фаз, что характерно для всех систем. ПАВКМ предпочтительнее для применения в условиях, требующих высокой термической стабильности эмульсий, тогда как смеси ПАВМС и ПАВХС могут быть эффективнее при более низких температурах инверсии. Выбор ПАВ или их смеси определяется конкретными требованиями к применению эмульсии.

Заключение

В ходе исследования авторами изучены пенообразующие и эмульгирующие свойства синтезированных неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) на основе различных жиров и масел. Результаты наблюдений показали, что пенообразующая способность и стабильность пены, а также эмульгирующие характеристики ПАВ зависят от их химической структуры и концентрации.

ПАВ с короткими углеводородными цепями, такие как ПАВКМ, продемонстрировали высокую пенообразующую способность и устойчивость, что связано с их эффективной адсорбцией на границе фаз. Те же ПАВ оказались наиболее эффективными для стабилизации эмульсий при высоких температурах. Напротив, смеси ПАВМС и ПАВХС лучше подходят для систем с более низкими температурами инверсии фаз.

Обнаружена связь между пенообразующими и эмульгирующими свойствами ПАВ: ПАВ, обеспечивающие устойчивое пенообразование, также показывают высокую эффективность в стабилизации эмульсий. Все вышеприведенные факты подчеркивают важность выбора оптимальных ПАВ и их концентраций для различных промышленных применений.

Список литературы:

1. Болтаева Г.Х., Абдикамалова А.Б. Синтез и анализ неионогенных ПАВ на основе жирных кислот методом ик-спектрофотомерии // LXXXIII International correspondence scientific and practical conference «European research: innovation in science, education and technology» – March 30-31. – 2024. – London, United Kingdom 4– 8.
2. Болтаева Г.Х., Очилов А. М., Абдикамалова А. Б., Кодиров О.Ш., Нурманов С.Э., Эшметов И.Д. Сравнение ГЛБ и поверхностной активности неионогенных поверхностно-активных веществ из жирных кислот природных масел // Universum: Химия и биология. – 2024. – № 1(2). –  С. 41–45.
3. Вережников В.Н., Валынкина И.Г. Организованные среды на основе коллоидных поверхностно-активных веществ: учеб.-метод. пособие для вузов. – Воронеж: Изд.-полигр. центр Воронежского государственного университета, 2008. – 74 с.
4. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / ред. Л.П. Зайченко; пер. с англ. Н. Зорина. – СПб: Профессия, 2005. – 240 с.
5. Поверхностно-активные вещества и композиции: справочник / под ред. М. Ю. Плетнева. – М.: ООО «Фирма Клавель», 2002. – 768 с.
6. Adamson A., Gast A.P.  Physical Chemistry of Surfaces. – 6-th ed. –New York / Chichester / Weinheim / Brisbane / Singapore /Toronto: John Wiley & Sons, Inc., 1997. – 808 p.
7. Boltaeva G.H., Ochilov A.M., Abdikamalova A.B., Kodirov O.Sh., Nurmanov S.E., Eshmetov I.D. Comparison of HLB and Surface Activity of Nonionic Surfactants from Fatty Acids of Natural Oils // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – October 2023. – Vol. 10. – Is. 10. – Р. 21183–21186.
8. Gbadamosi, A.O., Junin, R., Manan, M.A., Agi, A., Yusuff, A.S. An overview of chemical enhanced oil recovery: Recent advances and prospects // International Nano Letters. – 2019. – Vol. 9. – Pp. 171–202. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s40089-019-0272-8
9. Hamidi, H., Mohammadian, E., Rafati, R., Azdarpour, A., Ing, J., 2015. The effect of ultrasonic waves on the phase behavior of a surfactant-brine-oil system // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – Vol. 482. – Pp. 27–33. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.04.009.
10. Rosen M.J., Kunjappu J.T. Surfactants and interfacial Phenomena. – 4-th ed., updated and revised. – N.Y.: J.Wiley & Sons, 2012. – 616 p.
11. Sarmah, S., Gogoi, S.B., Xianfeng, F., Baruah, A.A., 2020. Characterization and identification of the most appropriate nonionic surfactant for enhanced oil recovery // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – Vol. 10. – Pp. 115–123. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s13202-019-0682-1.
12. Thiruvengadam, S., Murphy, M., Tan, J.S., Miller, K. A generalized theoretical model for the relationship between critical micelle concentrations, pressure, and temperature for surfactants // Journal of Surfactants and Detergents. – 2020. – Vol. 23. Pp. 273–303. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/jsde.12360.
13. Zhang Y. W., Kong, B., Puerto, M., Bao, X., Sha, O., Shen, Z., Yang, Y., Liu, Y., Gu, S., Miller, C., Hirasaki, G.J. Mixtures of anionic/cationic surfactants: A new approach for enhanced oil recovery in low-salinity, high-temperature sandstone reservoir //  SPE Journal. – 2016. – Vol. 21. –Pp. 1164–1177. DOI: http://dx.doi.org/10.2118/169051-PA.