Способ получения мыльных растворов

Изобретение относится к физике жидких сред, а точнее к физике поверхностей. Способ получения мыльных растворов осуществляют смешиванием растворителя и ПАВ класса кокамидов. В качестве растворителя используют многоатомный спирт типа глицерин, полиглицерин, сахарный сироп, мед или их смеси, а в качестве ПАВ используют кокамид ДЭА, коктид МЭА, кокамид ТЭА или их смеси в концентрации не менее 0.1% по объему. Изобретение позволяет создать способ получения безводного или маловодного мыльного раствора, пригодного для многих применений и создающего свободные тонкие долгоживущие жидкие пленки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к физике жидких сред, а точнее к физике поверхностей.

Известно множество мыльных растворов, обязательным компонентом которых (более 50%) является вода (любой рецепт водного мыльного раствора из [1] - прототип). Связано это с тем, что молекулы веществ, придающих растворам мыльные свойства, состоят из двух частей. Обычно это соли натрия (или калия) жирных кислот. Одна из частей молекул мыла гидрофильная (любящая воду), другая - гидрофобная (не любящая воду). В результате такие молекулы мыла или поверхностно-активных веществ (ПАВ) [2, 3] стараются расположиться на поверхности водосодержащих растворов, ориентируют свои водолюбивые концы к воде, а отталкивающие - наружу, что на ощупь придает растворам ощущение скользкости. Появление на поверхности такого мономолекулярного слоя физически приводит к уменьшению поверхностного натяжения растворов и к возникающей у них в результате этого способности образовывать свободные стабильные тонкие жидкие пленки.

Известны безводные мыльные растворы [4, 5], состоящие из масла с добавкой специальных маслорастворимых ПАВ (типа сульфаната натрия), которые улучшают свойства смазки, но свободные тонкие пленки из них непрочные, они имеют малые размеры (не более 1 см) и после образования не живут и минуту.

Водорастворимые ПАВ в безводных растворителях обычно не используют (до предлагаемого в этой заявке изобретения), поскольку они или совсем не растворяются, либо при содержании в растворителях воды менее 50% эти ПАВ мало растворяются, практически слабо влияют на их поверхностное натяжения и не позволяют делать из них свободные тонкие пленки.

Но поиски таких безводных или маловодных мыльных растворов продолжаются, поскольку наличие большого количества воды в растворе в ряде случает нежелательно.

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа получения безводного или маловодного мыльного раствора, пригодного для многих притеснений и создающего свободные тонкие долгоживушие жидкие пленки. Придание растворам без воды или с малым количеством воды таких свойств могло бы иметь важное значение как в промышленности, так и в науке, и технике.

Для решения этой задачи были исследованы широко освоенные соединения неионогенных ПАВ класса кокамидов (Cocamid DEA, Cocamide МЕА, Cocamide TEA с разной длиной цепи (СН₂)n в их химической структуре) [6], которые наряду с другими добавками часто используются в косметических продуктах и водных шампунях. Большинство опытов проводилось с соединением кокамид диэтаноламид (кокамид ДЭА, Cocamide diethanolamine, CAS# 68603-42-9) с примесью (несколько процентов) других кокамидов (кокамид МЭА, кокамид ТЭА). Его химическая формула CH₃(CH₂)_nC(=О)N(CH₂CH₂ОH)₂, где n - четное, но может быть переменным (n=10, 12, 14, 16, 18), а структурный вид показан на Фиг.1 [6].

Свойства этих ПАВ класса кокамидов, обладающих характеристиками спиртов и получаемых из жирных кислот кокосового масла, описаны в [6, 7].

Предлагается соединения класса кокамидов использовать в качестве ПАВ с неводными растворителями и растворами, содержащими менее 50% воды.

Кокамид ДЭА хорошо растворяется в простых и сложных спиртах, в этаноле, но он не меняет поверхностное натяжение этанола, не придает ему мыльных свойств и не позволяет создавать из него пузыри и пленки.

Растворение малых долей кокамида ДЭА в чистом глицерине (С₃Н₈О₃ glycerol, торговое название glycerin, сложный спирт, сладкий на вкус, CAS Number 56-81-5) делает глицерин мыльным. Десятые доли процента (по объему) кокамида в глицерине уменьшают его натяжение и позволяют создавать из него свободные мыльные пленки. Глицерин практически не испаряется. Из него можно выдувать пузыри и создавать стойкие тонкие пленки, живущие на воздухе сутками. Контакт этого мыльного глицерина с жидкостями, в которых он практически не растворяется (бензин, ацетон, пентан, дибутилфталат (ДБФ), диоктилфталат, машинное и трансформаторное масло, четырехлорка (ССl₄) и другие углеводородные растворители) не вызывает изменение его мыльных свойств и способности создавать из него прочные тонкие пленки.

Мыльный глицерин, как и сам глицерин, растворяется в воде. Наличие воды в глицерине не меняет его мыльных свойств, но если содержание воды превышает 5% по объему, то это делает пленки на воздухе менее стойкими. При этом концентрация кокамида составляет по объему порядка 0.1%. При меньшей концентрации кокамида пленка быстро рвется. При концентрации кокамида в растворе более 5% пленка быстро теряет блеск и через 10-20 минут рвется.

Аналогичными свойствами обладают растворы кокамидов в родственных глицерину соединениях - полиглицеринах (ди-, три- полиглицерины [8, 9]), похожих по своим свойствам на глицерин.

Мыльный глицерин растворяется в этаноле. Наличие в глицерине примеси этанола или скипидара (больше 1% по объему) не позволяет делать из него пузыри и пленки. После испарения этих примесей мыльные свойства глицерина восстанавливаются.

Растворение малых долей кокамида ДЭА в прозрачном меде или сахарном сиропе (с количеством воды 10-40%) делают мед и сироп мыльным. Из них тоже можно выдувать пузыри и создавать стойкие тонкие пленки, которые живут сутками. Мед в основном (на 70-80%) состоит из глюкозы и фруктозы, которые в своей химической структуре имеют, как и сахар (сахароза) и глицерин, характерные для этих сложных многоатомных спиртов группы -ОН [8, 9], обеспечивающие этим продуктам сладкий вкус и растворение в них кокамидных ПАВ с такими же -ОН окончаниями.

Пример 1. К глицерину добавляют 0.1% по объему кокамида ДЭА, перемешивают и при комнатной температуре дают раствору постоять несколько минут. Наличие 0.1% кокамида в глицерине уменьшает его натяжение в два раза с 63.4 дин/см до 30 дин/см и позволяет создавать из него прочные тонкие мыльные пленки. Глицерин практически не испаряется (давление его насыщенных паров при комнатной температуре не превышает 2×10 -4 Торр), и надутые из него пузыри микронной толщины живут на воздухе сутками, не меняя своей формы.

Практически такой же результат получается при добавлении к глицерину или полиглицеринам других указанных кокамидов. Фото пузыря с диаметров 10 см из глицерина с добавкой кокамина ДЭА, простоявшего на воздухе сутки, приведено на Фиг.2.

Пример 2. К прозрачному меду добавляют 0.1% по объему кокамина ДЭА, перемешивают и при комнатной температуре дают раствору постоять несколько часов. Из такого раствора можно создавать стойкие микронные пленки диаметром 10 см, которые в закрытом объеме живут сутками.

Практически такой же результат получается при добавлении к прозрачному меду других указанных кокамидов.

Пример 3. К сахарному сиропу с количеством воды 30% добавляют 0.1% по объему кокамина ДЭА, перемешивают и при комнатной температуре дают раствору постоять несколько часов. Из такого раствора можно создавать стойкие тонкие пленки диаметром 10 см, которые в закрытом объеме живут сутками.

Практически такой же результат получается при добавлении к сахарному сиропу других указанных кокамидов.

Следует отметить, что, несмотря на существующий широких набор разнообразных ПАВ для водных и неводных растворов и простоту опытов, каких-либо указаний на возможность получения с помощью ПАВ стабильных свободных тонких пленок больших размеров из неводных растворителей в литературе нет, и сделанное в данной заявке предложение никак не является очевидным следствием известных свойств кокамидных ПАВ для водных растворов. Таким образом, открыто особое свойство веществ - класса кокамидных ПАВ, способных придавать мыльные качества с созданием прочных свободных тонких пленок сладким, неводным растворителям типа глицерин, мед, сахарный сироп, что расширяет возможности их применения.

Возможные применения.

Глицерин известен уже более 200 лет (с 1779 г.), широко используется в разных отраслях промышленности. Производство глицерина в мире достигает 1 млн. т в год и часто является отходом других производств, а его стоимость составляет около 1 доллара за литр. Из-за своей распространенности он получил название «двигателя торговли» ('Jack of All Trades)'. Свойства глицерина описаны в [8]. Стоимость кокамидных ПАВ составляет около 4 долларов за литр.

Мыльный глицерин с пониженным поверхностным натяжением, с увеличенным растеканием и большей проникающей способностью можно с большей эффективностью, чем обычный глицерин, использовать [8] как смазку, например, при бурении глубоких скважин для газа и нефти (мыльный глицерин примерно на четверть уменьшает трение по сравнению трением при смазке обычным глицерином), для вытеснения нефти из породы, как растворитель при изготовлении красок, бумаги, печатающих чернил, синтезе наночастиц [9], порошковых лекарств, нитроглицерина, как пластификатор для пластмасс, антифриз, смачивающее вещество для пестицидов, как гидравлическую и режущую жидкость (до 180°С), для флюсов при пайке, для отделения CO₂ в пористых мембранах или свободных пленках (пленка глицерина проницаема для СО₂, но очень слабо проницаема для воздуха [10]), в вакуумной промышленности для обнаружения течей по пузырению, для защиты от коррозии, для изготовления пенных теплоизоляционных или пажарогасящих эмульсий и растекающихся защитных покрывающих пленок на поверхностях, например, методом вращения [11], в химчистке для удаления кофейных и чернильных пятен, в текстильной и косметической промышленности, как безводный, нелетучий и малогорючий растворитель для красок и как обычное разводимое в воде жидкое мыло (в том числе и в морской воде).

В науке он может использоваться как остекловывающаяся жидкость (как мы проверили, у мыльного глицерина свойство остекловывания, как у глицерина, при Т меньше 190 K сохраняется) в том числе и в виде остеклованных тонких пленок для нанесения на них других слоев методом напыления [11], для двумерных гидродинамических исследований в диапазоне температур от -80°С до +180°С без тормозящего воздействия воздуха, склейки оптики, как растворитель для лазерных красителей [14], как тонкий ИК-фильтр, прозрачный до вакуумного УФ [12], для изучения влияния натяжения на смачивание, для создания и изучения в мыльных пленках лазерных треков [17], устройств с большой поверхностью для разделения орто- и парамолекул воды [15, 16], как большой и дешевый сферический оптический отражатель, в том числе и в застывшем остеклованном виде.

Мыльный глицерин может быть также использован для промышленной флотации тяжелых руд, для открывающейся новой возможности применения особой многослойной флотации несколькими несмешивающимися жидкостями (например, мыльный глицерин и сверху трансформаторное масло, не мешающее стойкости всплывающих пузырей из глицерина, или мыльный глицерин, сверху слой ДБФ, а над ними слой воды) с разделением компонент руд по слоям, для удобной школьной демонстрации свойств долгоживущих мыльных пленок, как индикатор давления и как обычный экологически безвредный мыльный раствор для детских игрушек и получения стойких мыльных пузырей для аттракционов в условиях сухой и жаркой Африки или зимой на улице при морозах. Из-за недолговечности обычных водных мыльных пузырей они стали синонимом чего-то привлекательного, но бессодержательного и недолговечного. Предлагаемые «сладкие» мыльные пузыри с их повышенной стабильностью позволяют увеличить долговечность мыльных пузырей.

Тонкие пленки го мыльного глицерина можно использовать как простые защитные экраны для чувствительной оптики или экспонатов от пыли, от воздействия на них кислорода, как фильтры или перегородки не только в газовой среде, но и в жидкостях (например, в ДБФ, внутри которого такая перегородка сохраняется сутками) для изучения диффузии через них. Механическое разрушение такой пленки может служить охранным индикатором вторжения в огороженный ее объем. Надутые метаном прочные пузыри могут подниматься вверх или висеть в воздухе и указывать течения воздушных потоков.

Возможность использования мыльного глицерина в фармацевтической и пищевой промышленности (например, как и глицерина, для изготовления мороженого) требует дополнительной специальной проверки допустимых безвредных доз кокамидов.

Тонкие пленки из медового и сахарного мыльных растворов представляют интерес как научный объект для исследования оптических треков в таких вязких пленках [17].

Список перечисленных применений может быть значительно расширен, поскольку далеко не исчерпывает открывающиеся широкие возможности использования неводных мыльных растворов в различных областях промышленности, науки и техники, а также для увеличения эффективности диктата при его эволюции [18].

Литература

1. Состав для мыльных пузырей.

http://www.happy-kids.ru/page.php?id=426

2. О мыле и о том, что происходит, когда оно встречается с водой.

http://him.1september.ru/article.php?ID=200501805

3. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (ПАВ).

http://www.bashedu.ru/encikl/pppp/pov_akt.htm

4. Новый справочник химика (1.6. Маслорастворимые ПАВ, 1.4. ПАВ в неводных средах).

http://www.naukaspb.ru/spravochniki/ht_5_soderzhanie.htm

5. Шехтер Ю.Н., Крейн С.Э., Тетерина Л.Н. Маслорастворимые поверхностно-активные вещества. М.: Химия, 1978 г., 304 с.

6. Cocamide DEA. http://en.wikipedia.org/wiki/Cocamide_DEA

7. COCAMIDE DEA

http://www.zohar-bristol.ru/Spezificaz/Cocamide%20DEA%20new-1.htm

8. GLYCEROL http://www.inchem.org/documents/sids/sids/56815.pdf

9. United States Patent Application 20070166455 Kind Code Al Shen;

Wenjie; et al. July 19, 2007; J. Chem. Sci., Vol.117, No. 1, 2005, p.53.

10. United States Patent US 6,635,103 B2.

11. New J. Phys. 9 (2007) 435.

12. Radiation Research 52, 25 (1972).

13. Humphreys W J 1963 J. Cell Biol 19 634-6.

14. Dye Solvents.

http://bcp.phys.strath,ac.uk/ultrafast/Blue_book/Solvents.pdf

15. Sorption Experiments with Water Spin Isomers in Glycerol.

http://www.springerlink.com/content/g7340h28h82tu783/

16. Properties and potentials of water spin isomers.

http://nmr.ch.unito.it/parawater/PublishableExecutiveSummary,pdf

17. Стойлов Ю.Ю. УФН, 174, 1359 (2004).

18. Кайтуков B.M. "Эволюция диктата" (М.: "Урамос", 1991, 468) (см.http://www.philosophyevolution.com/index.htm).

1. Способ получения мыльных растворов путем смешивания растворителя и ПАВ класса кокамидов, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют многоатомный спирт типа глицерин, полиглицерин, сахарный сироп, мед или их смеси, а в качестве ПАВ используют кокамид ДЭА, кокамид МЭА, кокамид ТЭА или их смеси в концентрации не менее 0.1% по объему.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют многоатомные спирты типа глицерин, полиглицерин, сахарный сироп, мед или их смеси с добавкой воды не более 50% по объему.