Получение парафиновых эмульсий, стабилизированных наночастицами диоксида кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 66.063.612

О. С. Горбачевский*, М. Ю. Королева, Е. В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская пл., 9

* e-mail: [email protected]

ПОЛУЧЕНИЕ ПАРАФИНОВЫХ ЭМУЛЬСИЙ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Аннотация

Получены парафиновые эмульсии, стабилизированные неионогенным ПАВ - эфиром полиэтиленгликоля и цетилолеилового спирта, высокомолекулярным соединением - поливиниловым спиртом, а также наночастицами диоксида кремния. Исследованы влияние температуры получения эмульсий и состава на дисперсность полученных эмульсий. Показано, что образование наиболее мелких частиц парафина диаметром ~350 нм происходит при диспергировании при 75 °С эмульсии, содержащей 10 мас.% парафина и стабилизированной 0,5 мас.% поливинилового спирта, 1 мас.% Eumulgin O10 и 1 мас.% наночастиц диоксида кремния.

Ключевые слова: парафиновые эмульсии, наночастицы SiO2, поливиниловый спирт, Eumulgin Q10.

Парафиновые эмульсии и используются в различных отраслях промышленности. Их применяют для обработки древесно-стружечных плит, для создания покрытий на пищевой упаковке, контейнеров для хранения и транспортировки пищевых продуктов и др. [1].

Парафиновые эмульсии и другие липидные частицы обычно получают диспергированием расплавленного парафина в воде [2]. Диспергирование может проводиться с

использованием высокого давления, ультразвука, при интенсивном перемешивании и т.д. При охлаждении до температур, меньших температуры плавления парафина, происходит затвердевание дисперсной фазы эмульсий [3].

Для стабилизации парафиновых эмульсий используются различные анионногенные и катионногенные поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые могут представлять опасность для организма человека. Поэтому целесообразно использовать нетоксичные неионогенные ПАВ. Также, помимо ПАВ, можно использовать полимеры, обеспечивающие стерическую стабилизацию, а также наночастицы, имеющие поверхностный заряд, которые адсорбируются на поверхности частиц парафина и препятствуют их агрегации.

В настоящей работе проводилось изучение влияния различных типов стабилизаторов: неионногенного ПАВ - эфира полиэтиленгликоля и цетилолеилового спирта (Eumulgin 010, BASF), поливинилового спирта - ПВС 18/11 (Berol Kemi AB, М ~ 60000 г/моль), наночастиц диоксида кремния Ludox CL (Sigma-Aldrich) на дисперсность и устойчивость парафиновых эмульсий. В качестве дисперсной фазы использовался парафин твердый нефтяной П-2 (ООО «Лукойл-

Нижегороднефтеоргсинтез», W ~ 54 оС).

Парафиновые эмульсии получали

диспергированием расплавленного парафина в водном растворе Eumulgin 010 и ПВС при интенсивном перемешивании (3000 об/мин) и последующем охлаждении при умеренном перемешивании (200 об/мин). Измерения размеров частиц выполнены на приборе ZetaSizer Nano (Malvern).

3000 -|

г

X

я 2500 -г н

р 2000 -|| 1500 -

(Я

г

4 1000 -ж г

§ 500 -&

О

0 Н-1-1-1-1-1-1-1

50 55 60 65 70 75 80 85 Температура, оС

Рис. 1. Влияние температуры диспергирования на средний диаметр частиц. Концентрация парафина - 10 мас.%, Еиши^т 010 - 1 мас.%, ПВС - 0,5 мас.%.

В данной работе было исследовано влияние температуры диспергирования на размер и распределение по размерам парафиновых частиц, охлажденных до комнатной температуры. В случае получения эмульсий при 60 °С образуются крупные частицы парафина со средним диаметром ~ 2,7 мкм из-за высокой вязкости парафина (рис. 1). При увеличении температуры до 65 °С вязкость парафина уменьшается, средний диаметр частиц снижается до ~2,3 мкм, и в системе появляются более мелкие частицы. При 70-75 °С происходит образование наиболее мелких частиц парафина диаметром 450-460 нм. При дальнейшем повышении температуры до 80 °С средний диаметр возрастет до ~ 2 мкм., так как в таких системах интенсивнее протекает коалесценция капель до затвердевания парафина.

Исследование влияния концентрации парафина на дисперсность эмульсий показало, что при малых концентрациях (до 10 мас.%) размер частиц практически не зависит от концентрации парафина и равен приблизительно 460 нм (рис. 2). С увеличением концентрации парафина увеличивается вязкость эмульсий, что приводит к резкому росту размеров частиц из-за ухудшения эффективности диспергирования. На рис. 3 изображена микрофотография парафиновой эмульсии, содержащей 10 мас. % парафина.

6000

5000

4000

3000

2000

1000

s

гт

0,00

0,10 0,20 0,30

Массовая доля парафина Рис. 2. Влияние концентрации парафина на средний диаметр частиц. Концентрация Eumulgin 010 - 1 мас.%, ПВС - 0,5 мас.%. Температура диспергирования 75 оС.

адсорбировались на поверхности капель, и при их затвердевании частично погружались в частицы парафина.

Были получены парафиновые эмульсии, стабилизированные Еити1§т 010 - 1 мас.%, ПВС -0,5 мас.% и наночастицами диоксида кремния Ьи^х СЬ - 1 мас.%. Как видно из представленного на рис. 4 распределения по размерам, средний диаметр частиц парафина меньше, чем в эмульсиях, стабилизированных только Еити1§т 010 и ПВС, и составляет ~350 нм.

0.20

0.15 ■

а й 0=10

г

о

0.05

0.00

Рис. 3. Микрофотография парафиновой эмульсии. Концентрация парафина 10 мас. %, Еити^т 010 - 1 мас. %, ПВС - 0,5 мас. %.

Было исследовано влияние наночастиц диоксида кремния на дисперсность и устойчивость эмульсий. При добавлении наночастиц Ьи^х СЬ в эмульсию, содержащую расплавленный парафин, наночастицы

120 170 240 350 Диаметр частиц, нм Рис. 4. Распределение по размерам частиц парафина.

Концентрация парафина 10 мас. %, Еити^т 010 - 1 мас.

%, ПВС - 0,5 мас. %, наночастиц Ьи^х СЬ - 1 мас. %.

При адсорбции наночастиц диоксида кремния на поверхности капель в парафиновых эмульсиях происходит образование структурно-механического защитного слоя, препятствующего коалесценции капель до их затвердевания. В результате образуются частицы парафина меньшего размера.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания и проекта № 16.962.2014.

Горбачевский Олег Станиславович студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Королева Марина Юрьевна д.х.н. профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Юртов Евгений Васильевич д.х.н. заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Delgado M., Lazaro A., Mazo J., Zalba B. Review on phase change material emulsions and microencapsulated phase change material slurries: Materials, heat transfer studies and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews - 2012. - Vol. 16. - P. 253-273.

2. Королева М.Ю., Юртов Е.В. Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012. - Т. 81. - С. 21-43.

3. Li C., Mei Z., Liu Q., Wang J., Xu J., Sun J. Formation and properties of paraffin wax submicron emulsions prepared by the emulsion inversion point method // Colloids and Surfaces A. - 2010. - Vol. 356. - P. 71-77.

Oleg S. Gorbachevskiy*, Marina Yu. Koroleva, Evgeny V. Yurtov

Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]

PREPARATION PARAFFIN WAX EMUSLSIONS STABILIZED BY SILICA NANOPARTICLES

Abstract

Paraffin wax emulsions were stabilized by nonionic surfactant - ether of polyethylene glycol and cetyloleyl alcohol, macromolecules - polyvinyl alcohol and silica nanoparticles. The effect of temperature of emulsion preparation and emulsion composition was determined. The smallest wax particles with diameter of ~350 nm were formed at 75 °C in the emulsion with 10 wt.% paraffin, stabilized by 0.5 wt.% polyvinyl alcohol, 1 wt.% Eumulgin 010, and 1 wt.% silica nanoparticles.

Key words: paraffin wax emulsion, Si02 nanoparticles, polyvinyl alcohol, Eumulgin 010.