Устойчивость дисперсных систем

Принято считать, что взаимное  усиливающее действие ПАВ связано с их взаимодействием в растворах и образованием смешанных мицелл.

Данные по изучению адсорбции ионогенных и неионогенных ПАВ на волокнах позволяют обсудить механизм действия синергических смесей с точки зрения адсорбции ПАВ на межфазных поверхностях.  На заряженных участках поверхности плохо адсорбируются неионогенные и катионные ПАВ, в то время как анионные и катионные ПАВ  легко адсорбируются на таких участках , нейтрализуют поверхностный заряд и делает поверхность более гидрофобной .

Для катионных ПАВ наблюдается хемосорбция , причем поверхностно –активные катионы образуют с отрицательными  частицами поверхности трудно растворимые соединения . В результате хемосорбции возможно образование на поверхности волокон гидрофобной пленки , что облегчает адсорбцию неионогенных ПАВ . Достижение гидрофобности поверхности при ориентированной адсорбции является важным моментом в действии синергических смесей . В смесях адсорбция неионогенного ПАВ резко увеличивается в условиях ,когда заряд поверхности нейтрализован .

 Для практического применения синергические смеси неионогенных и ионогенных ПАВ используют в определенных соответствиях .

 Изученные системы эффективны по сравнению с индивидуальными соединениями . Однако в зависимости от строения , длины радикала и величины ККМ ПАВ соотношение компонентов различно для достижения одного и того же эффекта . Причем с увеличением длины радикала в обоих ПАВ суммарная концентрация смеси уменьшается . Следует отметить , что соединения , имеющие радикал , не эффективны в синергических смесях [17].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экспериментальная часть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1. Объекты исследования

 

1. В качестве объектов исследования (адсорбентов) использовали оксид металла – ZnO.
2. В качестве модификаторов использовали образцы цетилпиридиний бромида ( ЦПБ ) и полиэтиленгликоля (ПЭГ).
3. В качестве среды использовали раствор эпоксидного олигомера ЭД-40 в ацетоне.

Цетилпиридиний бромид ( C16H33C5H5NBr ) - белый порошок со слабым запахом; растворим в воде, хлороформе, ацетоне, с трудом растворяется в бензоле, практически не растворяется в диэтиловом эфире; ККМ =  5,81·10-4  моль/л [16, 17].

Полиэтиленгликоль – белый порошок со слабым запахом; растворим в воде, органических растворителях, за исключением алифатических углеводородов; ККМ = 2,5·10-4 моль/л [16,17].

Оксид металла – ZnO – высокодисперсный белый порошок, без запаха,  амфотерен.

Экспериментальная работа выполнена в соответствии с правилами безопасной работы в химической лаборатории.

 

2.2. Исследование седиментационной устойчивости нефелометрическим методом 

2.2.1. Подготовка нефелометра к работе

 

 Нефелометр фотоэлектрический однолучевой НФО предназначен для относительного измерения коэффициента яркости в направлениях, составляющих углы 45, 90 и 135° с направлением освещающего пучка, для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности рассеивающих сред.

Перед началом работы подсоединить нефелометр к сети 220 В, 50 Гц, тумблер « МОДУЛЯТОР» установить в положение «ВЫКЛ.», ручку «СВЕТОФИЛЬТРЫ» - в положение «КОР.», включить тумблер «СЕТЬ». На цифровом табло должна появиться мигающая запятая, сигнализирующая о включении микро-ЭВМ. Если мигающая запятая не появилась – нажать клавишу «ПУСК». Прогреть нефелометр в течение 30 минут [18].

 

 

2.2.2. Расчет поправочных коэффициентов на показатель преломления и рассеивающий объем

 

          Перед началом измерений коэффициентов яркости светорассеивающих образцов необходимо произвести расчет поправочных коэффициентов на показатель преломления измеряемого образца и рассеивающий объем для применяемого при измерении размеров кюветы, показатель преломления стекла кюветы и измеряемой жидкости.

Расчет поправочного коэффициента на показатель преломления производят по формуле ( И.Л. Фабелинский. Молекулярное рассеяние света):

 

Cn =  n2[1 – (r´(n – 1) / 43,3 n) ]2,

 

где n – показатель преломления твердого образца или средний показатель преломления жидкости и стенки кюветы.

Расчет среднего показателя преломления производят по формуле:

 

n = ( n1 r1 + n2 r2 ) / ( r1 + r2 ),

 

где n1 и r1 - показатель преломления и толщина стенки кюветы,

 n2 и r2 - показатель преломления и толщина слоя жидкости ( внутренний радиус кюветы ),

r´ - радиус твердого образца или наружный радиус кюветы.

Расчет поправочного коэффициента на действующий объем рассчитывают по формуле:

 

Cv = 1- [6,8 r´ / ( 0,346 r´ + 5) (43,3 - r´ ) + 13,6 r´) ].

 

Коэффициент Сv практически не зависит от показателя преломления.

Определяют произведение коэффициентов Сv и Сn

H1 = Cv Cn

и заносят, как поправку для данной кюветы с данной жидкостью.

 

2.2.3. Определение  поправки на кювету

 

Если при измерении коэффициента яркости измеряемой жидкости требуется исключить рассеяние в кювете, необходимо определить поправку для данной конкретной кюветы на каждом угле.

Для определения поправки кювету необходимо залить дистиллированной водой, установить в кюветное отделение в фиксированное положение, ручку « СВЕТОФИЛЬТРЫ » установить в положение « КОР. », нажатием клавиши « » выбрать конкретный угол ( 45, 90, 135°) и нажать клавишу « ПОПР.». На цифровом табло высвечивается величина сигнала, соответствующая поправке на кювету на данном угле. Измерения нажатием клавиши « ПОПР.» провести три раза, вычислить среднее арифметическое из трех отсчетов (αi ).

  

 

 

 

 

2.2.4. Измерение коэффициентов яркости светорассеивающих жидкостей

 

Измерения коэффициента яркости исследуемой жидкости проводят в следующем порядке:

• В кювету заливают исследуемую жидкость;
• Устанавливают кювету в фиксированное положение;
• Нажатием клавиши «α» выбирают угол, на котором будут проводиться измерения;
• Нажимают клавишу «Н», с помощью клавиатуры вводят коэффициент Н1, рассчитанный по методике п. 3.2.2. для данной кюветы;
• Нажимают клавишу «αi», с помощью клавиатуры вводят в память машины поправку на кювету, измеренную в п. 3.2.3.;
• Нажимают клавишу «β(I)», на цифровом табло высвечивается текущее значение измеренного коэффициента яркости раствора и цифра «I»       ( индикатор режима β ).

 

2.3. Исследование седиментационной устойчивости системы наполнитель + растворитель + эпоксидная смола

 

Готовим 3% раствор эпоксидной смолы в ацетоне. Раствор выдерживаем сутки. На аналитических весах взвешиваем наполнителя в количестве 5% от смолы ( 0,15 г ). Берем пробирку на 20 мл и наливаем 20 мл приготовленного ( и выдержанного сутки ) 3% раствора эпоксидной смолы. Вносим в пробирку, ранее приготовленную навеску ZnO. Хорошо перемешиваем и даем выстояться 30 минут, и проверяем седиментационную устойчивость снятием коэффициента яркости во времени. Далее раствор сливаем в прежнюю пробирку и выдерживаем сутки. Через сутки повторно проводим измерения, предварительно хорошо перемешав суспензию. Полученные результаты представляем в виде графической зависимости в координатах β (t) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.1. Кинетика седиментации суспензии ZnO в 3% растворе ЭД – 40.

 

 

 

 

 

 

2.4. Исследование седиментационной устойчивости системы модифицированный наполнитель + растворитель + эпоксидная смола

2.4.1. Модифицирование наполнителя с помощью смеси ПАВ (ПЭГ + ЦПБ)

Готовим раствор ЦПБ в воде концентрации 1,0·10-2 моль/л и раствор ПЭГ в воде концентрации 1,0·10-2 моль/л.

Четыре навески оксида металла (ZnO) массой по  0,15 г помещаем в четыре чашки Петри и обрабатываем первую раствором смеси ПАВ: 3 мл ПЭГ + 7 мл ЦПБ. Вторую навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 5 мл ПЭГ + 5 мл ЦПБ, третью навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 1 мл ПЭГ + 9 мл ЦПБ, а четвертую навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 2 мл ПЭГ + 8 мл ЦПБ. Далее полученные модифицированные наполнители высушиваем при комнатной температуре до постоянной массы.

Модифицированный наполнитель вводим в 3% раствор эпоксидной смолы, хорошо взбалтываем, даем выстояться 30 минут и проверяем седиментационную устойчивость снятием коэффициента яркости во времени. Далее растворы сливаем в прежние пробирки и выдерживаем сутки. Через сутки повторно проводим измерения, предварительно хорошо перемешав суспензию. Полученные результаты представляем в виде графической зависимости в координатах β(t).

 

Рис. 2.5.1. Кинетика седиментации суспензии модифицированного ZnO в 3% растворе ЭД – 40: 1) ПЭГ:ЦПБ = 1:9; 2) ПЭГ:ЦПБ = 1:1; 3) ПЭГ:ЦПБ = 1:2,5.

 

 

 

2.4.2. Модифицирование наполнителя с помощью смеси ПАВ (ОП - 10 + ЦПБ)

Готовим раствор ЦПБ в воде концентрации 1,0·10-2 моль/л и раствор ОП -10 в воде концентрации 1,0·10-2 моль/л.

Четыре навески оксида металла (ZnO) массой по  0,15 г помещаем в четыре чашки Петри и обрабатываем первую раствором смеси ПАВ: 3 мл ОП - 10 + 7 мл ЦПБ. Вторую навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 5 мл ОП - 10 + 5 мл ЦПБ, третью навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 1 мл ОП - 10 + 9 мл ЦПБ, а четвертую навеску обрабатываем раствором смеси ПАВ: 2 мл ОП - 10 + 8 мл ЦПБ. Далее полученные модифицированные наполнители высушиваем при комнатной температуре до постоянной массы.

Модифицированный наполнитель вводим в 3% раствор эпоксидной смолы, хорошо взбалтываем, даем выстояться 30 минут и проверяем седиментационную устойчивость снятием коэффициента яркости во времени. Далее растворы сливаем в прежние пробирки и выдерживаем сутки. Через сутки повторно проводим измерения, предварительно хорошо перемешав суспензию. Полученные результаты представляем в виде графической зависимости в координатах β(t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. результаты  и их обсуждение

3.1. Исследование  седиментационной устойчивости

 

Седиментационную устойчивость суспензий немодифицированных и модифицированных оксидов металлов в ацетоновом растворе эпоксидного олигомера ЭД – 40 изучали нефелометрическим методом. Измеряя коэффициент яркости светорассеивающих образцов, получили кривые зависимости светопропускания раствора от  времени.

 На рис. 2.3.1. представлен график седиментации суспензии немодифицированного наполнителя оксида цинка в растворе эпоксидного олигомера ЭД – 40.

Как видно из графика, раствор эпоксидного олигомера ЭД – 40 проявляет стабилизирующее  действие на рассмотренную систему наполнитель – раствор полимера, что подтверждает теоретические данные.

На рис. 2.5.1. представлены графики седиментации суспензий модифицированного  наполнителя оксида цинка в растворе эпоксидного олигомера ЭД – 40.

Как видно из графиков, уже при соотношении ПЭГ:ЦПБ = 1:9 отмечается повышение стабильности системы. Оптимальные результаты получены при соотношении ПЭГ к ЦПБ = 1:1.

Полученные результаты объясняются тем, что катионное ПАВ (ЦПБ) легко адсорбируется на поверхности оксида цинка . В результате адсорбции на поверхности образуется гидрофобная пленка, что облегчает адсорбцию неионогенного ПАВ (ПЭГ).

     Результаты нефелометрического исследования седиментационной устойчивости модифицированного оксида цинка в растворе ЭД – 40 приведены в таблице 3.1. соответственно.

 

 

Таблица 3.1.

Результаты нефелометрического исследования седиментационной

устойчивости модифицированного ZnO в растворе ЭД -40

Соотношение ПЭГ:ЦПБ	1: 9	1: 1	1: 2,5
Время стабилизации t, мин	30	10	15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

1. Подобран модификатор поверхности оксида цинка, обеспечивающий улучшение стабильности суспензии оксида в ацетоновом растворе эпоксидного олигомера;
2. Экспериментально показано преимущество модифицирования бинарной смесью ионогенного (ЦПБ) и неионогенного (ПЭГ, ОП-10, ОС-20) ПАВ на седиментационную устойчивость суспензий оксида цинка в ацетоновом растворе эпоксидного олигомера;
3. Определено оптимальное соотношение неионогенного ПАВ к ионогенному в смеси (ПЭГ:ЦПБ – 1:9), обеспечивающее наибольшую стабильность суспензии оксида цинка в ацетоновом растворе эпоксидного олигомера.