A polimer-tenzid kölcsönhatás vizsgálata

Az alkalmazott polimer és tenzidkeverék közötti kölcsönhatás vizsgálatának célját már a 3.6. fejezetben ismertettem. A folyásmódosító polimer és a tenzidkompozíció közötti kölcsönhatás kimutatására reológiai illetve részecskeméret vizsgálatok alkalmasak. A reológiai vizsgálatokat későbbi fejezetben tárgyalom.

A részecskeméret analízist a Pannon Egyetem Műszaki Kémiai Kutató Intézetében végeztem a rendelkezésre álló Malvern típusú Nano Zetasizer készülékkel.

A mérés alapelve, hogy a Brown-mozgás miatt hő hatására a szuszpendált részecskék és az oldószer molekulák ütköznek. Ha a részecskéket lézerrel világítjuk meg, akkor a szórt fény intenzitása arányos a részecske méretével; a kisebb részecskék messzebb tudnak haladni és gyorsabban mozognak. Ezekből az intenzitás-ingadozásokból kapjuk a Brown-mozgás sebességét és így a Stokes-Einstein összefüggés alapján a részecskeméretet. A Stokes-Einstein összefüggés értelmében a transzlációs diffúziós együttható és a részecskeméret között fordított arányosság áll fenn. Az így meghatározott méret a hidrodinamikai átmérő (D0), amely nem azonos a geometriai mérettel, a következő összefüggéssel számítható:

𝐷₀ = _{3𝜋𝜂𝑑}^𝑘𝑇 (2)

ahol k: Boltzmann-állandó T: hőmérséklet

η: közeg dinamikai viszkozitása d: részecske átmérője

Ezzel a módszerrel kapott részecskeátmérő megegyezik azzal a gömbátmérővel, amely ugyanilyen transzlációs diffúziós koefficienssel rendelkezik. A transzlációs diffúziós együttható nemcsak a „mag” méretétől függ, hanem olyan tulajdonságoktól is, mint a koncentráció különbség vagy az ion típusa a közegben. Ez azt jelenti, hogy az így kapott méret nagyobb lesz, mint amit például az elektronmikroszkóppal mérnénk, ahol a részecskét kiszakítjuk az eredeti közegéből. Fontos megjegyezni, hogy a

dinamikus fényszórásnál az intenzitással súlyozott (átlagos) részecskeméret-eloszlást kapjuk, ami azt jelenti, hogy főként a nagyobb részecskék jelenléte határozza meg az eredményt [143-145.].

4.12. ábra: Malvern Zetasizer készülék

A részecskeméret analízis során a mérés alapfeltétele, hogy transzparens legyen a vizsgálandó minta. Ezért a polimeres tenzides oldatokat elő kellett készíteni.

Tenzidkompozíciók koncentrációja: 5, 10, 15, 20 és 25 g/dm³és a folyásmódosító polimer koncentrációja 1 g/dm³. A tenzidoldatok homogenizálására ultrahangos keverő készüléket alkalmaztam. A tenzidoldatokat 50, 60, 70 and 80 °C hőmérsékleten 3 órán át termosztáltam.

A 4.13. ábrán az alkalmazott folyásmódosító polimer (PA), az egyik kiválasztott tenzidkompozíció (K-1) és a polimert, valamint tenzidkompozíciót egyaránt tartalmazó oldatokban (KP-1) létrejött micellák részecskeméret eloszlása látható.

4.13. ábra: Folyásmódosító polimer és a tenzidkompozíció részecskeméret eloszlása [146.]

Az elvégzett mérés alapján megállapítottam, hogy a tenzidkompozíció (K-1) esetén az oldott micellák átlagos részecskemérete 80 nm-nek adódott. A folyásmódosító polimer (PA) nagyobb, 180 nm oldatbeli átlagos hidrodinamikai átmérőjű. A KP-1 jelű polimeres tenzides oldat pedig 300-1000 nm közötti méretű oldott állapotú kolloid részecskéket tartalmazott. Ennek alapján feltételeztem, hogy ezt a részecskeméret növekedést a polimer és a tenzidkompozíció molekulái közötti kölcsönhatás következményeként többszörös kapcsolódással kialakuló óriási micellák keletkezése okozta.

Ezután a polimer-tenzid kölcsönhatást részletesebben megvizsgálva, valamint figyelembe véve azt, hogy alkalmazástechnikai szempontból milyen paraméterek lehetnek fontosak, tanulmányoztam a hőmérséklet, illetve a tenzidkompozíció koncentrációjának a részecskeméret változásának nagyságára kifejtett hatását is. A hőmérséklet hatását időjárástól függetlenül a legfontosabb 50-80°C-ig tartó hőmérséklet tartományban célszerű vizsgálni, mert ez a hőmérséklet-tartomány minden esetben előfordul az ipari felhasználás során. A polimer és a polimeres tenzides oldatok hőmérséklet függésének vizsgálatakor kapott eredményeket a 4.6. táblázat és a 4.14.

ábra tartalmazza.

4.6. táblázat: Hőmérséklet hatásának vizsgálata

4.14. ábra: Hőmérséklet hatásának vizsgálata

A kiválasztott két kompozíció vizes oldatának és a polimeres vizes oldatának vizsgálatakor megállapítottam, hogy a polimert is tartalmazó oldatokban a magasabb hőmérsékleten nagyobb részecskeméret alakult ki. Az oldott állapotú folyásmódosító polimer az oldat hőmérsékletének növekedésével növekvő átlagos hidrodinamikai átmérőjűre duzzadt. Ennek alapján feltételeztem, hogy a polimer molekulák duzzadása okozta a viszkozitásnövekedést. A polimer-tenzides oldatnál ugyanezt a tendenciát állapítottuk meg, de mintegy 140 nm-rel nagyobb részecskeméret tartományban. A jelenség azzal magyarázható, hogy a polimer a tenziddel vegyes micellát alkotott.

Mivel az ipari felhasználás során a polimer és a tenzidoldat készítése, illetve azok

koncentrációváltozás részecskeméretre gyakorolt hatását is megvizsgálni. A mérési eredményeket a 4.7 táblázat és a 4.15. ábra szemlélteti.

4.7. táblázat: Koncentráció hatásának vizsgálata 80°C-on

Koncentráció,

g/dm³ KP-1 KP-2 Hidrodinamikaiátmérő, nm 5 110,9 92,1 Hidrodinamikaiátmérő, nm 10 112,1 94,73 Hidrodinamikaiátmérő, nm 15 314,2 224,1 Hidrodinamikaiátmérő, nm 20 325,1 235,3 Hidrodinamikaiátmérő, nm 25 516,2 486,4

4.15. ábra: Koncentráció hatásának vizsgálata

A koncentráció változás hatásának vizsgálata során megállapítottam, hogy a koncentráció növelése miatt is nagymértékben nőtt a részecskeméret. 10 g/dm³ feletti koncentráció esetén pedig ugrásszerűen tovább növekedett az átlagos micellaméret. 20 g/dm³ feletti koncentrációnál pedig már egy új, sokkal több molekula kapcsolódásával kialakuló szerkezet valószínűsíthető [147-150.].

0 100 200 300 400 500 600

0 5 10 15 20 25 30

Hidrodinamikai átmérő (nm)

Tenzidkoncentráció (g/dm3)

KP-1 KP-2

A kialakult micelláris kolloid nyírási stabilitására jellemző viszkozitásgörbéket a 4.16. ábrán ismertettem.

4.16. ábra: Polimer és polimeres-tenzides oldatok viszkozitásgörbéja

A 4.16. ábrán látható dinamikai viszkozitások tendenciája alapján megállapítottam, hogy a vizsgált folyásmódosító polimert és a polimert és tenzid kompozícióit egyaránt tartalmazó oldatok nem newtoni viselkedést mutattak. A polimeres-tenzid oldatok esetén (KP-1 és KP-2) a görbék meredekség csökkenése intenzívebb volt, mint a folyásmódosító polimer (PA) viszkozitás görbéje esetén. Ez is a korábbi feltételezésem helyességét támasztotta alá, mert a kialakult polimer-tenzid asszociátumok nagyobb mérete könnyebben eshetett szét a nagyobb nyírási sebesség hatására.

Összességében tehát jelentős részecskeméret-növekedést okozó kölcsönhatást állapítottam meg a polimer és az alkalmazott tenzidek között. Emellett a tenzidoldatokban a kialakuló vegyes micella hidrodinamikai átmérőjének jellegzetes növekedését mutattam ki a hőmérséklet, illetve a tenzid koncentrációjának növelése függvényében. A reológiai vizsgálataim során kimutattam, hogy a részecskeméret-dinamikai viszkozitás összefüggés az előbbiekhez hasonló növekedés trendjét

1 10 100 1000 10000

0,001 0,01 0,1 1

Log DV (mPas)

Log γ (1/s) KP-1

KP-2 PA

támasztotta alá. Azonban a kialakuló és átalakuló micellaszerkezetek jellemzőinek alaposabb megismerése mélyebb kolloidkémiai szerkezetvizsgálatokat igényel [151-158.].

4.5 Polimer-tenzid kompozícióik előszelekciójának komplex hatásvizsgálati