Физико-химические основы создания жидких очищающих средств

Физико-химический анализ, устанавливающий зависимость свойств химических равновесных систем от условий равновесия (в том числе от концентрации компонентов, составляющих систему, температуры и давления) приобрел большое значение во многих областях теоретических и прикладных знаний. Химия и химическая технология, металлография и металлургия, минералогия и геология и многие другие отрасли науки широко используют методы физико-химического анализа.

Актуальность работы.

Известно, что такие процессы как обезжиривание, очистка и отмывка широко распространены во всех отраслях промышленности. Для разработки очищающих составов чаще всего применяют препаративный метод, который заключается в эмпирическом подборе компонентов и их концентраций и последующей проверке функциональных свойств получившейся смеси. Он не предполагает изучения свойств композиций в зависимости от концентрации компонентов, так как каждая рецептура разрабатывается для ограниченного концентрационного предела. Использование данного метода не гарантирует получения оптимальных по составу и свойствам композиций, а также не исключает возможности появления препаратов с нежелательными свойствами. Таким образом, существует необходимость научного подхода к решению проблемы создания рецептур жидких очищающих средств.

Настоящая работа посвящена разработке физико-химических основ нового метода создания жидких очищающих средств с применением физико-химического анализа и теории гетерогенных равновесий. Проведенные исследования позволили теоретически обосновать метод и показать его перспективность как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Метод позволяет разрабатывать композиции с оптимальными или заранее заданными функциональными и физико-химическими свойствами и эффективно использовать сырьевые ресурсы. Кроме того, появляется возможность эквивалентной взаимозамены компонентов с сохранением оптимальных свойств средства.

Проведенные исследования являются продолжением работ, проводимых в Естественнонаучном институте Пермского госуниверситета в рамках комплексной целевой научно-технической программы Минвуза РСФСР «Чистота». Систематизация отечественных и зарубежных композиций позволила выявить общие закономерности и принципы их разработки. Исходя из этого, предложены модельные условно четырехкомпонентные системы, включающие ПАВ, органические растворители, воду, активные добавки. Изучение растворимости, физико-химических и функциональных свойств в таких системах позволяет находить оптимальные жидкие композиции по заранее заданным параметрам.

Цель работы — разработка физико-химических основ нового метода создания жидких очищающих средств, включающих:

1. Подбор компонентов и изучение растворимости в поликомпонентных взаимных водно-органических системах, состоящих из поверхностно-активных веществ, органических растворителей, воды и активных добавок.

2. Исследование физико-химических и функциональных свойств гомогенных смесей с применением специально разработанной компьютерной программы Optimum.

3. Выбор композиции с оптимальными или заранее заданными физико-химическими и функциональными свойствами.

Научная новизна.

На основании обобщения литературных данных и выполненных исследований впервые разработан метод создания жидких очищающих средств на основе физико-химического анализа поликомпонентных водно-органических систем.

Методология эксперимента по исследованию свойств гомогенных составов поликомпонентных систем впервые реализована на базе разработанной нами компьютерной программы Optimum, основанной на методе планирования эксперимента с использованием симплекс-решетчатых планов Шеффе, и позволившей значительно снизить трудоемкость исследований и ускорить получение результатов.

Физико-химические основы предлагаемого метода создания жидких очищающих средств включают следующие положения:

1. Изучение растворимости в поликомпонентных водно-органических системах, состоящих из поверхностно-активных веществ, органических растворителей, воды и активных добавок.

2. Исследование физико-химических и функциональных свойств смесей в гомогенной области четырехкомпонентной системы с применением метода планирования эксперимента и обработкой полученных результатов компьютерной программой Optimum.

3. Анализ полученных уравнений, описывающих зависимость состав — свойство и графических отображений изолиний свойств.

4. Выбор композиции с оптимальными или заранее заданными физико-химическими и функциональными свойствами.

В работе впервые:

— получены данные по растворимости при 25 °C в системах:

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — вода;

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• оксифос Б — скипидар — вода;

• оксифос Б — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• синтанол АЛМ-10 — скипидар — вода;

• синтанол АЛМ-10 — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• ПЭГ-115 — скипидар — вода;

• ПАВ Betadet HR-50K — «Вилагин» — вода;

• ПАВ Perlastan AL-30 — «Вилагин» — вода;

• ПАВ Emal 270D — «Вилагин» — вода.

— с использованием компьютерной программы Optimum получены математические модели зависимости функциональных и физико-химических 7 свойств от состава смесей в гомогенной области и графическое изображение изолиний свойств на локальных участках диаграммы состояния следующих систем:

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• синтанол AJIM-10 — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• ПАВ Perlastan AL-30 — «Вплагин» — вода.

Практическая значимость работы.

Разработана компьютерная программа Optimum, предназначенная для обработки экспериментальных данных, полученных с использованием метода математического планирования эксперимента для физико-химического анализа гомогенных систем.

Данные по растворимости в 7 трехкомпонентных и 3 четырехкомпонент-ных водно-органических системах являются справочным материалом. У двух четырехкомпонентных систем (содержащие ПАВ «Прогресс» и синтанол AJIM-10) в гомогенной области изучены такие свойства как плотность, вязкость, температура вспышки и моющая способность. В гомогенной области трехкомпо-нентной системы ПАВ Perlastan AL-30 — «Вилагин» — вода исследована бактерицидная активность.

С использованием предложенного метода разработана рецептура жидкого очищающего средства для твердых поверхностей, которое прошло апробирование в промышленных условиях на предприятии ООО НПП «Тривектр». Дезинфицирующие средства на основе «Вилагина» испытаны и одобрены ООО «Технологии безопасности». В обоих случаях планируется организация промышленного производства средств.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физико-химические основы создания жидких очищающих средств с оптимальными или заранее заданными свойствами.

2. Компьютерная программа Optimum.

3. Результаты изучения растворимости в поликомпонентных водно-органических системах, состоящих из поверхностно-активных веществ, органических растворителей, воды.

4. Результаты исследования физико-химических и функциональных свойств гомогенных составов систем.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Краснодар, 2004) — XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2005) — XV Российской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2005) — Областной конференции студентов и молодых ученых «Химия и экология» (Пермь, 2005) — Международной научной конференции «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (Пермь, 2005) — Международной научной конференции «Инновационный потенциал естественных наук» (Пермь, 2006) — XII, XIII и XIV Международных научно-практических конференциях «Бытовая химия в России» (Пермь, 2006, 2007, 2008) — IV Всероссийской конференции ФАГРАН-2008 «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2008).

Публикации.

По материалам диссертации автором опубликовано 14 научных трудов, включая 4 статьи, 9 тезисов докладов и компьютерную программу.

выводы.

1. Впервые разработан метод создания жидких очищающих средств на основе физико-химического анализа, включающий:

Изучение растворимости в поликомпонентных водно-органических системах, состоящих из поверхностно-активных веществ, органических растворителей, воды и активных добавок.

• Исследование физико-химических и функциональных свойств смесей в гомогенной области четырехкомпонентной системы.

• Анализ полученных уравнений, описывающих зависимость составсвойство и графических отображений изолиний свойств.

• Выбор композиции с оптимальными или заранее заданными физико-химическими и функциональными свойствами.

2. Разработана компьютерная программа Optimum, предназначенная для обработки экспериментальных данных, полученных с использованием метода математического планирования эксперимента для физико-химического анализа систем, что позволяет значительно снизить трудоемкость исследований и ускорить получение результатов.

3. Впервые изучена растворимость в 7 трехкомпонентных и 3 четы-рехкомпонентных водно-органических системах при 25°С:

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — вода;

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• оксифос Б — скипидар — вода;

• оксифос Б — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• синтанол AJIM-10 — скипидар — вода;

• синтанол AJIM-10 — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• ПЭГ-115 — скипидар — вода;

• ПАВ Betadet HR-50K — «Вилагин» — вода;

• ПАВ Perlastan AL-30 — «Вилагин» — вода;

• ПАВ Emal 270D — «Вилагин» — вода.

4. С использованием компьютерной программы Optimum, получены математические модели зависимости функциональных (моющая способность, температура вспышки в закрытом тигле, бактерицидная способность) и физико-химических (плотность, вязкость) свойств от состава смесей в гомогенной области и графическое изображение изолиний свойств на локальных участках диаграммы состояния систем:

• ПАВ «Прогресс» — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• синтанол АЛМ-10 — скипидар — изопропиловый спирт — вода;

• ПАВ Perlastan AL-30 — «Вилагин» — вода.

5. С использованием предлагаемого метода разработана рецептура жидкого очищающего средства для твердых поверхностей, которое апробировано в промышленных условиях на предприятии ООО Hi 111 «Тривектр». Дезинфицирующие средства на основе «Вилагина» испытаны и одобрены ООО «Технологии безопасности».