vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestich-266Research ArticleКОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯCOLLOIDAL CHEMISTRYПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АНИОННО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЦВИТТЕР-ИОННЫХ ПАВ НА ОСНОВЕ АМИНОВ И КАРБОНОВЫХ КИСЛОТSURFACE PROPERTIES OF ANIONICALLY-ORIENTED ZWITTERIONIC SURFACTANTS BASED ON AMINES AND CARBOXYLIC ACIDSОпанасенкоО. Н.OpanasenkoO. N.

канд. хим. наук, доцент, зав. лаб.

Ph. D. (Chemistry), Associate Professor, Head of Laboratory

ionch@igic.bas-net.byЯковецН. В.YakavetsN. V.

канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник

Ph. D. (Chemistry), Senior researcher

yakov25@tut.byКрутькоН. П.Krut’koN. P.

академик, д-р хим. наук, зав. отделом

Academician, D. Sc. (Chemistry), Head of Department

krutko@igic.bas-net.byИнститут общей и неорганической химии НАН БеларусиInstitute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus201706102017032937Copyright © Опанасенко О.Н., Яковец Н.В., Крутько Н.П., 20172017Опанасенко О.Н., Яковец Н.В., Крутько Н.П.Opanasenko O.N., Yakavets N.V., Krut’ko N.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/266

Получены композиции поверхностно-активных веществ на основе карбоновых кислот и алифатических аминов, отличающихся количеством аминогрупп в цепи и длиной углеводородного радикала, с использованием методологии «зеленой химии» путем реализации принципа мультикомпонентных реакций. Используя метод ИК-спектроскопии, установлена информация об основных функциональных группах и структуре объектов исследования: эпоксидированного рапсового масла, являющегося одним из источников органических кислот в композициях, и синтезированных анионно-ориентированных цвиттер-ионных ПАВ. По результатам изучения поверхностного натяжения методом отрыва кольца (Дю-Нуи) на межфазной границе раствор–воздух построены изотермы водных растворов ПАВ в щелочной среде, определены их коллоидно-химические свойства: поверхностное натяжение при достижении критической концентрации мицеллообразования, свободная энергия адсорбции Гиббса, поверхностная активность, гидрофильно-липофильный баланс. Показано, что все исследуемые поверхностно-активные композиции эффективно понижают поверхностное натяжение (вплоть до 25,2 мН/м), с ростом степени гидрофобности в гомологическом ряду аминов за счет увеличения длины углеводородного радикала уменьшаются критическая концентрация мицеллобразования и значения гидрофильно-липофильного баланса, а также увеличивается абсолютное значение стандартной свободной энергии адсорбции. Высокие значения гидрофильно-липофильного баланса для исследуемых ПАВ (16÷22) свидетельствуют о возможности их применения в качестве эффективных эмульгаторов при получении эмульсий I рода (масло/вода) и пенообразователей. Оценена пенообразующая способность ПАВ на основе пентаэтиленгексамина и олеиновой кислоты.

 

 

 

 

The compositions of surfactants based on carboxylic acids and aliphatic amines with a different number of amino groups in the chain and the length of the hydrocarbon radical were obtained using the methodology of “green chemistry” by realization of the principle of multicomponent reactions. The information about the basic functional groups and structure of the objects of study: epoxidated rapeseed oil, which is one of the sources of organic acids in the compositions, and anionically-oriented synthesized zwitterionic surfactants, was obtained using IR-spectroscopy. Based on the results of surface tension at the solution - air interface measuring by du Noüy ring method, the isotherms of surfactant aqueous solutions in an alkaline medium were plotted and the colloid-chemical properties, such as surface tension of the surfactant aqueous solution under the critical micelle concentration, the Gibbs free energy of adsorption, the surface activity and the hydrophilic-lipophilic balance, were defined. All investigated surfactant compositions were shown to reduce effectively the surface tension (up to 25.2 mN/m), while the critical micelle concentration and the hydrophilic-lipophilic balance decrease with the increase of hydrophobicity degree in the amine homologous series due to the increase of the length of the hydrocarbon radical. The absolute value of the standard free energy of adsorption increases with the increase of hydrophobicity degree. The high values of hydrophilic-lipophilic balance for the investigated surfactants (16 ÷ 22) make it possible to use them as effective emulsifiers for preparation of type I (oil / water) emulsions and foaming agents. The foaming capacity of the surfactant based on oleic acid and pentaethylenehexamine was estimated as well.

цвиттер-ионные поверхностно-активные веществаповерхностное натяжениеадсорбциягид рофильно-липофильный балансИК-спектроскопияпенообразующая способностьzwitterionic surfactantssurface tensionadsorptionhydrophilic-lipophilic balanceinfrared spectroscopyfoaming capacityReferencesОпанасенко, О. Н. Свойства и применение битумных дисперсий и битумно-эмульсионных материалов / О. Н. Опанасенко, Н. П. Крутько. – Минск : Беларус. навука, 2014. – 270 с.Opanasenko O. N., Krut’ko N. P., Svoistva i primenenie bitumnykh dispersii i bitumno-emul’sionnykh materialov [Properties and application of bitumen dispersions and bitumen emulsion materials], Belarusian Science, Minsk, 2014.Применение многофункциональных поверхностно-активных реагентов для нефтедобычи и транспорта / М. И. Курбанбаев [и др.] // Нефть. Газ. Новации. – 2010. – № 10.– С. 33–38.Kurbanbaev M. I., Miroshnikov V. Ia., Tolokonskii S. I., Tolokonskaia L. D., “The use of multifunctional surface-active reagents for oil extraction and transport”, Neft’. Gaz. Novatsii [Oil. Gas. Innovations], 2010, no. 10, рр. 33–38.Получение, физико-химические характеристики, нефтесобирающие и диспергирующие свойства новых поверхностно-активных веществ на основе фракции кислот касторового масла, пропиленоксида и этаноламинов / З. Г. Асадов [и др.] // Хим. журн. Грузии. – 2005. – Т. 5, № 3. – С. 286–299.Asadov Z. G., Aga-zade A. D., Akhmedova G. A., Zarbalieva I. A., Ragimov R. A., Salamova N. V., “Production, physico-chemical characteristics, petroleum-collecting and dispersing properties of the novel surfactants based on the acid fraction of castor oil, propylene oxide and ethanolamines”, in Him. zhurnal Gruzii [Ghemical Journal of Georgia], 2005, vol. 5, no 3, pp. 286–299.Борисов, Д. Н. Получение кислородсодержащих четвертичных аммониевых соединений с анионами органических кислот – основы реагентов для нефтяной промышленности / Д. Н. Борисов, П. С. Фахретдинов, Г. В. Романов // Вестн. Казан. технол. ун-та. – 2009. – № 1. – С. 103–107.Borisov D. N., Fakhretdinov P. S., Romanov G. V., “Production of oxygen-containing quaternary ammonium compounds with anions of organic acids – bases of the reagents for oil industry”, Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University], 2009, no. 1, pp. 103–107.Abdel-Moghny, Th. Effect of surfactant on the growth of onset aggregation of some Egyptian crude oils / Th. Abdel-Moghny, S. M. Desouky, M. Ramzi // J. of Dispersion Science and Technology. – 2008. – Vol. 29. – P. 397–405.Abdel-Moghny Th., Desouky S. M, Ramzi M., “Effect of surfactant on the growth of onset aggregation of some Egyptian crude oils”, Journal of Dispersion Science and Technology, 2008, vol. 29, pp. 397–405.Эмульгаторы обратных эмульсий на основе моноэтаноламидов жирных кислот растительных масел / Е. И. Черных [и др.] // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. Сер.: Химия, биология, фармация. – 2016. – № 1. – С. 35–42.Chernykh E. I., Shestakov A. S., Poiarkova , Iliushina K. V., Falaleev A. V., “Emulsifiers of inverse emulsions based on monoethanolamides of fatty acid of vegetable oils”, Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriia: Himiia, biologiia, farmaciia [Bulletin of Voronezh State University. Series: Chemistry, Biology and Medicine], 2016, no.1, pp. 35–42.Рагимов, Р. А. Аммониевые соли кислотной фракции рапсового масла / Р. А. Рагимов // Химия растительного сырья. – 2015. – № 2. – С. 97–105.Ragimov R. A., “Ammonium salts of acid fraction of rapeseed oil”, Kimiia rastitel’nogo syr’ia [Chemistry of vegetable raw materials], 2015, no. 2, pp. 97–105.Ланге, К. Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / К. Р. Ланге ; под науч. ред. Л. П. Зайченко. – СПб. : Профессия, 2004. – 240 с.Lange K. R., Poverkhnostno-aktivnye veshchestva: sintez, svoistva, analiz, primenenie [Surfactants: synthesis, properties, analysis, application], Profession, St. Petersburg, RU, 2004.Абрамзон, А. А. Поверхностно-активные вещества. Синтез, анализ, свойства, применение / А. А. Абрамзон, Л. П. Зайченко, С. И. Файнгольд. – Л. : Химия, 1988. – 200 с.Abramzon A. A., Zaichenko L. P., Faingol’d S. I., Poverkhnostno-aktivnye veshchestva. Sintez, analiz, svoistva, primenenie [Surfactants. Synthesis, analysis, properties and application], Chemistry, Leningrad, RU, 1988.ГОСТ 12497-93. Пластмассы. Соединения эпоксидные. Методы определения содержания эпоксидных групп. – Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – 1995. – 15 с.International Union of standardization, metrology, certification, GOST 12497-93. Plastmassy. Soedinenija epoksidnye. Metody opredelenija soderzhanija epoksidnyh grupp [State Standard 12497-93. Plastics. Epoxy compounds. Methods for determination of the content of epoxy groups], 1995.ГОСТ 5476-80. Масла растительные. Методы определения кислотного числа. – М.: ИПК изд-во стандартов, 1997. – 10 с.IPK publishing house of standards, GOST 5476-80. Masla rastitel’nye. Metody opredelenija kislotnogo chisla [State Standard 5476-80. Vegetable oils. Methods for determining the acid number], 1997.Наканиси, К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений / К. Наканиси. – М.: Мир, 1965. – 216 с.Nakanishi K., Infrakrasnye spektry i stroenie organicheskikh soedinenii [Infrared spectra and structure of organic compounds], World, Moscow, RU, 1965.Тарасевич, Б. Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы [Электронный ресурс] / Б. Н. Тарасевич // МГУ им. М. В. Ломоносова. – 2012. – 55 с. – Mode of access : http:// www.chem.msu.su/rus/teaching/tarasevich/Tarasevich_IR_tables_29-02-2012.pdf. – Date of access : 14.10.2016.Tarasevich B. N., “IR spectra of the major classes of organic compounds. Reference materials”, Available at: http:// www.chem.msu.su/rus/teaching/tarasevich/Tarasevich_IR_tables_29-02-2012.pdf/, (accessed 14 October 2016).Плетнев, М. Ю. Косметико-гигиенические моющие средства / М. Ю. Плетнев. – М. : Химия, 1990. – 272 с.Pletnev M. Iu., Kosmetiko-gigienicheskie moiushchie sredstva [Cosmetics and sanitary cleaners], Chemistry, Moscow, 1990.Tensiometer K100 MK2/SF/C. Instruction Manual V2-05: KRÜSS GmbH, Hamburg, 2001–2005. – 153 p.Tensiometer K100 MK2/SF/C, Instruction Manual V2-05: KRÜSS GmbH, Hamburg, DE, 2001–2005.Абрамзон, А. А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение / А. А. Абрамзон. – Л. : Химия, 1981. – C. 304.Abramzon A. A., Poverkhnostno-aktivnye veshchestva. Svoistva i primenenie [Surfactants. Features and applications], Chemistry, Leningrad, RU, 1981.Lin, I. Y. Hydrophile-lipophile balance (hlb) of fluorocarbon surfactants and its relation to the critical micelle concentration (cmc) / I. Y. Lin // J. Phys. Chem. – 1972. – Vol. 76, № 14. – P. 2019–2023.Lin I. Y., “Hydrophile-lipophile balance (hlb) of fluorocarbon surfactants and its relation to the critical micelle concentration (cmc)”, Journal of Physical Chemistry, 1972, vol. 76, no. 14, pp. 2019–2023.Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии / Ю. Г. Фролов. – М.: Альянс, 2004. – 464 с.Frolov Iu. G., Kurs kolloidnoi khimii [Course of Colloid Chemistry], TID “Alliance”, Moscow, 2004.Гельфман, М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. – СПб. : Лань, 2003. – 336 с.Gel’fman M. I., Kovalevich O. V., Iustratov V. P., Kolloidnaia khimiia [Colloid chemistry], Fallow-deer, St. Petersburg, RU, 2003.HLB & Emulsification. Description of Hydrophile, Lipophile Balance and use of HLB in Producing Emulsions (Technical Information Surface Chemistry) [Electronic resourse] // Akzo Nobel Surface Chemistry LLC. – 14 p. – 2008. – Mode of access: https://sc.akzonobel.com/en/fabric-cleaning/Documents/AkzoNobel_tb_HlbEmulsions.pdf. – Date of access: 10.11.2016.“HLB & Emulsification. Description of Hydrophile, Lipophile Balance and use of HLB in Producing Emulsions (Technical Information Surface Chemistry). Akzo Nobel Surface Chemistry LLC (2008)”, Available at: https://sc.akzonobel. com/en/fabric-cleaning/Documents/AkzoNobel_tb_HlbEmulsions.pdf/, (accessed 10 November 2016).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.