Целью работы является изучение поверхностных свойств смесей полиакриламида (ПАА) с неионными поверхностно-активными веществами. В работе были полз ясны кинетические кривые снижения поверхностного натяжения ПАА в области концентраций 1 * IO'5 + 1 * W3 осново- моль/л. На основании равновесных значений поверхностного натяжения получены изотермы поверхностного натяжения водных растворов композиционных смесей на основе полиакриламида (ПАА) с поверхностно-активными веществами - неионным амфотерным N.N- диметилдодециламинЫ-оксидом (ДМДАО) и неионным кокоамидопропилбетаином (КАЛБ). Показано, что композиции ПАВ с полимером в области низких концентраций обладают менее низким поверхностным натяжением, что связано с увеличением поверхностной активности композиций ПАВ - ПАА по сравнению с индивидуальными ПАВ. По изотермам поверхностного натяжения были определены критические концентрации мицеллообразования (KKM) ПАВ и композиций ПАВ-ПАА. Установлено, что добавление полимера к ПАВ понижает KKM на порядок для смеси ДМДАО - ПАА и более чем на два порядка для смеси КАЛБ - ПАА, что также свидетельствует о повышении поверхностной активности смесей ПАВ-полимер. Использование композиций ПАА с ПАВ в качестве стабилизаторов пен и эмульсий открывает перспективу для разработки эффективных эмульгаторов и пенообразователей.
Введение
Взаимодействие полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами сопровождается значительными конформационными превращениями полиэлектролитных цепей. Изменения конформации полиэлектролитов, наблюдаемые при электростатическом связывании ими ПАВ, сопровождаются повышением их компактизации. Связывание же ПАВ с полиэлектролитами за счет гидрофобных взаимодействий приводит, наоборот, к разворачиванию макромолекулярного клубка и улучшению растворимости полиэлектролита.
Степень проявления этих эффектов зависит от многих факторов: природы (дифильности, типа функциональных групп) полиэлектролита и ПАВ, молекулярной массы ПЭ, относительной концентрации полиэлектролита и ПАВ в растворе, температуры, pH и др. Взаимодействия полиэлектролитов с ПАВ дают возможность управления конформацией макромолекул полиэлектролитов в водных растворах путем варьирования гидрофобности их полимерных цепей в зависимости от типа и количества добавленного ПАВ. Эти результаты представляют большой интерес для интерпретации коллоидно-химических процессов, протекающих на различных границах раздела фаз в присутствии смесей полиэлектролитов и ПАВ.
Поскольку основным фактором в стабилизации дисперсных систем является термодинамический фактор устойчивости представляет интерес изучение поверхностного натяжения водных растворов ПАВ, ПАА и их смесей для выявления влияния взаимодействия ВМПАВ с мицеллообразующими ПАВ на свойства их адсорбционных слоев, с целью создания новых типов высокоэффективных стабилизаторов пен, эмульсий, флотореагентов, флокулянтов и структурообразователей минеральных дисперсий.
Объекты и методы исследования
В работе было проведено исследование коллоидно-химических свойств полимера ПАА (Mr 12 млн.) и его смесей с растворами неионных ПАВ - N,N- диметилдодециламин N-оксидом (ДМДАО) и кокоамидопропилбетаином (КАЛБ) различной концентрации. Поверхностное натяжение водных растворов ЦПБ, СФ, ПАА и их смесей ЦПБ-ПАА и СФ-ПАА измерялось методом погруженной пластинки Вильгельми на приборе седиментометр-тензиометр СТ-СВ-2 с использованием алюминиевой пластинки размером (24х24)х10’3м. Прибор создан на основе электронных весов и портативного компьютера. Измерение вязкости растворов полимера и его смесей с ПАВ проводилось в капиллярном вискозиметре Убеллоде с висячим уровнем (время истечения растворителя ~ 100- 120 с.). Все опыты проводились при комнатной температуре 25°С. ±0,1 °C. Точность измерения приведенной г|пр. и характеристической [ц] вязкостей составляла ±1%.
Результаты и их обсуждение
Известно, что свойства растворов полимеров определяются химическим строением макромолекул, чередованием их звеньев и природой боковых групп. Большое влияние на свойства растворов полимеров оказывают специфические взаимодействия полимерных цепей, а также взаимодействие последних с молекулами растворителя [1-3].
Полиакриламид (ПАА) - водорастворимый неионный полимер, обладающий практически ценными качествами, благодаря которым находит широкое применение в различных отраслях производства. В частности ПАА имеет флоккулирующие и коагулирующие свойства, применяется для очистки сточных вод, для получения гелей медицинского назначения, косметологии, в производстве минеральных удобрений, в нефтяной промышленности для заводнения пластов и при нефтедобыче в буровых растворах, как регулятор водоотдачи и ингибитор реакции набухания глины [4-6].
Несмотря на вышеизложенное, в литературе отсутствуют сведения о коллоидно-химических свойствах водных растворов ПАА и влиянии на них ПАВ. В то же время, проведение систематического исследования такого рода стимулировало бы развитие новых направлений в его применении и способствовало бы более рациональному решению проблем интенсификации многих процессов. C другой стороны, ПАА является перспективным реагентом для синтеза новой группы экологически чистых высокомолекулярных поверхностно-активных веществ на его основе.
В связи с этим представлял интерес исследование коллоидно-химических свойств водных растворов ПАА, вязкости, поверхностного натяжения на границе жидкость-газ, и влияние на них ПАВ - М,М-диметилдодециламинМ-оксида (ДМДАО) и кокоамидопропилбетаина (КАЛБ) различной концентрации.
Известно [7] что добавка в растворы ионогенных ПАВ полиэтиленоксида или полиакриламида уменьшает значение их KKM. По мнению авторов, это связано с адсорбцией молекул ПАВ своими гидрофобными группами а развернутой полимерной цепочке с образованием мицеллярных агрегатов, отличающихся по своим свойствам и структуре от мицелл, находящихся в растворе. Это обуславливает синергетический эффект действия смеси ПАВ полимеров при использовании ее для снижения гидродинамического сопротивления воды и повышения устойчивости пен и эмульсий.
Основываясь на данных [8-10] о взаимодействии полимер-ПАВ, предполагали аналогичные явления обнаружить в исследуемых системах ПАА с ПАВ.
Хотя область применения полимеров широка, в литературе мало информации об их поверхностной активности, адсорбции на границе раздела фаз. Изучая особенности адсорбции ПАА, можно выявить новые области его применения, в том числе возможность контроля коллоидных химических процессов в дисперсных системах. В то же время получение новых композиций высокомолекулярных поверхностно-активных веществ с ПАВ на основе ПАА, представляет интерес для изучения поверхностной активности ПАА.
На рисунке 1 показаны кинетические кривые снижения поверхностного натяжения ПАА в области концентраций 1 * 10’5 -ь 1 * IO'3 осново-моль/л. Как видно из рисунка, поверхностное натяжение уменьшается с увеличением концентрации полимеров. Кроме того, предельное значение поверхностного натяжения достигается быстрее при низких концентрациях, поскольку при увеличении количества полимера в растворе для адсорбции сегментов молекулы полимера на границе раздела раствор/воздух требуется больше времени.
Рис. 1. Кинетические кривые снижения поверхностного натяжения водных растворов ПАА при 298К
По равновесным значениям поверхностного натяжения построены изотермы водных растворов ПАА, ПАВ и их смесей (рис.2, 3). Из рисунков видно, что гидрофобизация ПАА введением алкильных радикалов приводит к росту поверхностной активности на границе раствор/воздух и равновесные значения поверхностного натяжения бинарных смесей ПАВ-ПАА проходят ниже аналогичных изотерм отдельных компонентов. Для смеси ДМДАО - ПАА (рис.2) заметно снижение поверхностного натяжения практически для всех концентраций. Еще больше этот эффект наблюдается для смесей КАПБ-ПАА (рис.З), снижение поверхностного натяжения ниже 40 мН/м достигается в области низких концентраций ПАВ в смеси с полимером. Видно, что ассоциаты КАЛБ - ПАА обладают высокой поверхностной активностью и способны снижать поверхностное натяжение воды при очень низких концентрациях, снижая KKM ПАВ на несколько порядков. В рассматриваемой ситуации концентрация KKM может соответствовать "критической концентрации ассоциации" (KKA),
эффективно снижать поверхностное натяжение в присутствии предельно малых концентраций ПАВ в интервале 1*10'5-М*10'4 кмоль/м3.
Список литературы
- Холмберг К.. Йснссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. - M.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 528 с.
- Шинода А., Накагава Г., Тамамуси Б., Исемура Т. Коллоидные поверхностно-активные вещества. Физико-химические свойства. - М.:Мир, 1996.-С. 203.
- Липатов Ю.С., Сергеева Л.М. Адсорбция полимеров. Киев: Наукова думка, 1972.196 с.
- Фазулзянов Р.Р., Елпидинский А.А., Гречухина А.А. Исследование деэмульгирующих и поверхностных свойств композиционных реагентов для нефтепромыслов // Вестник Казан, технол. ун-та. -2011. -Т. 14. №10.-С. 169-172.
- Арнольд К., Стюарт М. Справочник по оборудованию для комплексной подготовки нефти. Премиум Инжиниринг - 3 изд. - 2011. - С. 776.
- Очилов А. А., Олимов Б. С. Деэмульгаторы для разрушения устойчивых водонефтяных эмульсий // Вопросы науки и образования - 2016. -С. 144
- Кучер Р.В., Сердюк А.И., Львов В.Г. Влияние добавок ПАВ на физико-химические свойства растворов полимеров, эффективно снижающих гидродинамическое сопротивление воды // V Всссоюз. конф. "ПАВ и сырье-для них: Тез. докл.. Шебекино. 1979. -С. 33.
- Мусабеков К.Б.. Жубанов Б.А., Измайлова В.H., Сумм Б.Д. Межфозные слои полиэлектролитов. Алма-Ата:Наука. 1987. 112С.
- Handbook of Applied Surface and Colloid Chemistry. Edited by Krister Holmberg. Jolm Wiley & Sons. Ltd.. 2001.
- Razavizadeh B.M.. Mousavi-Khoshdel M., Gharibi H., Behjatmanesh-Ardakani R., Javadian S.. Solirabi B. Thermodynamic studies of mixed ionic/nonionic surfactant systems. // J. Colloid and Interface Sci. 2004. V.276. P. 197-207.
- Rosen M. J. Surfaclants and Interfacial Phenomena. Tliird Edition. J. Wiley & Sons. Inc. New York. 2004.