СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЫЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

Изобретение относится к физике жидких сред, а точнее к физике тонких пленок.

Известен способ получения мыльных растворов /1/, в котором осуществляют смешивание растворителя и ПАВ класса кокамидов. В качестве растворителя в нем 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. Изобретение позволяет создать способ получения безводного или маловодного мыльного раствора, пригодного для создания свободных тонких пленок, живущих при комнатных условиях несколько суток.

Но поиски таких безводных или маловодных мыльных растворов с увеличенным временем жизни продолжаются, поскольку в ряде случаев стойкость пленок является важным фактором при их использовании.

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа получения безводного или маловодного мыльного раствора, пригодного для многих применений и создающего свободные тонкие зеркально гладкие прочные пленки с временем жизни, превышающим неделю. Придание растворам без воды или с малым количеством воды такой стойкости могло бы иметь важное значение как в промышленности, так и в науке, и технике.

Для решения этой задачи были исследованы те же, что и патенте 2370523, широко освоенные соединения неионогенных ПАВ класса кокамидов (Cocamid DEA, Cocamide МЕА, Cocamide TEA с разной длиной цепи (CH2)n в их химической структуре) [2], 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(=O)N(CH₂CH₂OH)₂, где n - четное, но может быть переменным (n=10, 12, 14, 16, 18), а структурный вид дан в [2]. Свойства этих ПАВ класса кокамидов, обладающих характеристиками спиртов и получаемых из жирных кислот кокосового масла, описаны в [2, 3].

Предлагается, как и патенте 2370523, использовать в качестве ПАВ соединения класса кокамидов (кокамид ДЭА, кокамид МЭА, кокамид ТЭА или их смеси в концентрации не менее 0.1% по объему) с теми же неводными растворителями (типа глицерин, этилен-гликоль, полиглицерин, сахарный сироп, мед или их смеси и растворами), содержащими не более 50% воды, но с добавкой нового компонента - студеобразователей типа желатина (пектин, агар и др.), существенного меняющего свойство пленок.

Желатин (пектин, агар) - это органические продукты, состоящие из длинных молекул и использующиеся в промышленности при изготовлении мармеладов, студней, а также при изготовлении оболочек лекарств, фотопленок и столярного клея /4/. Из водного раствора желатина делают покрытия и свободные прозрачные пленки /5, 6/, которые в жидком виде живут недолго, но в твердом находят разные применения.

Используется желатин и для увеличения времени жизни простых водных мыльных пленок /например, 7/, но их время жизни ограничено испарением из них воды и обычно не превышает десятка минут.

Описанные в прототипе вязкие растворители позволяют увеличить время жизни тонких пленок до нескольких суток, но и эти пленки, как и все известные жидкие пленки, со временем (из-за ухода из них раствора - дренажа) уменьшают свою толщину и разрушаются.

Добавление желатина (пектина, агара) с небольшим количеством воды к компонентам растворов патента 2370523 приводит к неожиданному эффекту.

Подогретый до 40°C такой состав ведет себя как обычный мыльный раствор, позволяющий создавать пузыри и пленки. Но при остывании желатин (пектин, агар) в пленке за десяток минут «схватывается», загустевает и, сохраняя прозрачность, становится желеобразным. В такой прозрачной, но студенистой пленке практически нет дренажа, а испарение жидких компонентов типа глицерина отсутствует. В результате получается стабильная желеобразная, но не твердая тонкая пленка со временем жизни, превышающим неделю. Эффект достигается за счет того, что кокамиды обладают редкими для ПАВ свойствами использования с неводными растворами, в которых добавленный желатин (пектин, агар) загустевает до студенистого состояния, и в результате получаются стабильные не жидкие, но и не твердые пленки (при локальном механическом разрушении пленки схлопываются), а при испарении воды такие пленки живут долго и не лопаются.

Пример 1. К глицерину добавляют не менее 0.1% по объему кокамида ДЭА (без потери эффекта можно добавлять указанные ПАВ класса кокамидов в десятки раз больше), перемешивают и при комнатной температуре дают раствору постоять несколько минут. Затем добавляют треть (по объему) подогретого до 40°С 5%-15%-ного водного раствора желатина марки П-13 (или пектина, агара). Смесь разогревают до 40°С и используют для изготовления пленок и пузырей. Наличие 0.1% (и более) 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 нагретой смеси пузыри микронной толщины, не меняя прозрачности, загустевают и при испарении воды живут на воздухе, не меняя своей формы, больше недели. Фото пузырей диаметров 3-6 см из глицерина с добавкой кокамина ДЭА и желатина П-13, простоявших на воздухе неделю, приведено на Фиг. 1. Аналогичные пузыри получаются, если вместо желатина в тех же пропорциях использовать пектин или агар.

Пример 2. В герметичном объеме, где отсутствует испарение, свободная вертикальная пленка из такого раствора с желатином (пример 1) диаметром 10 см сохраняется уже год и при этом не меняет своей толщины и своих оптических свойств /8/. В указанной работе детальный состав пленки не приводится.

Пример 3. К меду или сахарному сиропу добавляют не менее 0.1% по объему кокамида ДЭА (без потери эффекта можно добавлять указанные ПАВ класса кокамидов в десятки раз больше), перемешивают и при комнатной температуре дают раствору постоять несколько минут. Затем добавляют треть по объему подогретого до 40°С 5%-15%-го водного раствора желатина марки П-13 (пектина, агара). Смесь разогревают до 40°С и используют для изготовления пленок и пузырей. Надутые из смеси пузыри микронной толщины загустевают и живут на воздухе, не меняя своей формы, больше недели.

Пример 4. Свежеприготовленная мыльно-желатиновая пленка и пленка, простоявшая на воздухе неделю (Примера 1), из-за гладкой поверхности и зеркального отражения могут быть использованы как частично отражающее зеркало с перестраиваемым радиусом кривизны /9/. При этом через сутки пребывания на воздухе прочность пленки (после испарения из нее воды) значительно увеличивается. Она вместо обычных для жидких мыльных пленок натяжения около 0.07 г/см начинает выдерживать нагрузку более 1 г/см, что позволяет на такую плоскую горизонтальную пленку наливать различные жидкости, каждая из которых при ее прогибе собирается, например, на круглой пленки в центре в виде линзы, и линза эта имеет высокое оптическое качество. На Фиг. 2 показан прогиб круглой пленки диаметром 57 мм под весом налитой на нее жидкости. Налить можно полимеризующуюся жидкость (например, эпоксидную смолу с отвердителем), которая, застывая на пленке, превращается без дополнительной механической обработки в готовую фокусирующую, и что важно и интересно для оптики, асферическую линзу, трудную для механического изготовления /9/. Такая линза пригодна по своим оптическим свойствам для разных приложений. Например, солнечный свет, сфокусированный такой самодельной линзой диаметром 15 мм и фокусным расстоянием 5 мм, поджигает копировальную бумагу (Фиг. 3).

Практически такой же результат получается при добавлении к глицерину, этилен-гликолю или полиглицеринам, меду, сахоному сиропу других указанных кокамидов с желатином (пектином, агаром).

Следует отметить, что, несмотря на существующий широкий набор разнообразных ПАВ для водных и неводных растворов и простоту опытов, в литературе нет каких-либо указаний на возможность получения с помощью ПАВ и желатина (пектина, агара) нового вида желеобразных стабильных живущих больше недели свободных прочных тонких пленок, и сделанное в данной заявке предложение никак не является очевидным следствием известных свойств желатина (пектина, агара) в обычных водных мыльных пленках, где он используется для увеличения вязкости, но без загустевания. Таким образом, открыто особое свойство сочетания веществ - класса кокамидных ПАВ с желатином (пектином, агаром), способных придавать необычные качества растворителям типа глицерин, этилен-гликоль, мед, сахарный сироп с созданием прочных студенистых и подсохших свободных тонких пленок, что расширяет возможности их применения.

Возможные применения

Прочные тонкие долгоживущие пленки 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.

Цветные, долгоживущие пузыри привлекательны для детей и могут использоваться как елочные или другие дешевые украшения.

Тонкие пленки из медового и сахарного мыльных растворов с желатином (пектином, агаром) представляют особый интерес для квантовой электроники как научный объект для исследования узких нерасходящихся оптических треков, образующихся в таких студенистых пленках /8, 10/ под действием светового давления.

Можно использовать предлагаемые мыльно-желатиновые пленки в качестве частичных зеркальных отражателей с перестраиваемыми радиусами кривизны /9/, а также как основу для отливки на них жидкостей и изготовления таким образом самоформирующихся затвердевающих асферических линз (осесиммметричных и цилиндрических) без необходимости дополнительной высокоточной и обычно весьма трудоемкой механической обработки /9/.

Список перечисленных применений может быть значительно расширен, поскольку он далеко не исчерпывает открывающиеся широкие возможности использования мыльных растворов с желатином (пектином, агаром) и пленок из них в различных областях промышленности, науки и техники, а также для увеличения эффективности диктата при его эволюции /11/.

Литература

1. ПАТЕНТ RU 2370523.

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

3. COCAMIDE DEA.

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

4. О желатине. Википедия -

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B5%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%В8%D0%BD/

5. Желатин, http://www.ngpedia.ru/id261274p1.html.

6. Диссертация Вайчас А.А. http://www.dissercat.com/content/diskretnaya-difraktsiya-lazernogo-izlucheniya-v-bioorganicheskikh-zhidkikh-plenkakh/

7. Желатин в мыльных пленках, http://summercamp.ru/index.php?title=%D0%A7%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%82_%D0%BF%D0%BE_%D0%BF%D1%83%D1%81%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8E_%D0%BC%D1%8B%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%BF%D1%83%D0%B7%D1%8B%D1%80%D0%B5%D0%B9/

8. Старцев A.B., Стойлов Ю.Ю. «Лазерные треки в желатиновой пленке», Препринт №2, (ФИАН), 2014.

9. Стойлов Ю.Ю. «Опыты с мыльно-желатиновой пленкой», Препринт №12, (ФИАН), 2014.

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

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