COMPLEX APPLICATION OF A NEW TECHNIQUE FOR DETERMINING THE VOLUME WEIGHT OF FOAM

КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НОВОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ МАССЫ ПЕНЫ

Научная статья

Самойлова С.С.¹, ^*, Тарасов В.Е.²

¹ ORCID: 0000-0002-4391-6719;

² ORCID: 0000-0001-9586-8563;

¹ АО «Аванта», Краснодар, Россия;

² Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (samoylova_ss[at]avnt.ru)

Аннотация

В настоящее время косметическая продукция гигиеническая моющая на основе поверхностно-активных веществ стандартизована по показателям пенообразования и устойчивости пены в качестве гарантии обеспечения очищающего действия при мытье кожи и волос водой. Такие очищающие средства традиционно относят к смываемым. Для них установлены предельные значения, ниже которых очищающее действие либо не достигается, либо средство имеет неудовлетворительные потребительские свойства. Однако, показатели количественной оценки способности средств вспениваться с водой (показатель пенообразования) и сохранять пену при мытье (устойчивость пены) никак не характеризуют качественные характеристики пены, являющейся в настоящее время важной эмоциональной и потребительской составляющей современных моющих гигиенических средств. Проанализированы существующие методики качественной оценки пены и выявлены их недостатки. Разработана новая методика определения качественных характеристик пены с учетом устранения выявленных недостатков. Предлагается создание устройства для определения объемной массы пены (плотность пены) в широком диапазоне температур для повышения воспроизводимости и точности определяемой величины. Предложено, помимо плотности, дополнительно оценивать характеристики пены, как коллоидной дисперсной системы, методикой микроскопирования, которая позволяет визуально оценивать ее дисперсность (моно- или поли-), степень однородности и прогнозировать природу «старения». Такой комплексный подход к изучению и оценке свойств пены создает возможности для направленной разработки продукции с заданными свойствами нового поколения, расширения ассортимента высококачественной продукции для потребителя, так как позволяет использовать продукты не только с целью достижения функции очищения, но и формирования приятных ощущений, эмоциональной радости и удовольствия при использовании.

Ключевые слова: пена, методика, гигиенические моющие средства, плотность, пенообразование, дисперсная система, дисперсность, степень однородности.

COMPLEX APPLICATION OF A NEW TECHNIQUE FOR DETERMINING THE VOLUME WEIGHT OF FOAM

Research article

Samoylova S.S.¹, ^*, Tarasov V.E.²

¹ ORCID: 0000-0002-4391-6719;

² ORCID: 0000-0001-9586-8563;

¹ «Avanta» JSC, Krasnodar, Russia;

² Kuban State Technological University, Krasnodar, Russia

* Corresponding author (samoylova_ss[at]avnt.ru)

Abstract

Today, hygienic washing cosmetic products based on surface-active components are standardized in terms of foaming and foam stability as a guarantee of providing a cleansing effect in washing skin and hair with water. Such cleansers are traditionally referred to as washable. Limit are set for them, below which the cleansing effect is either not achieved, or the product has unsatisfactory consumer qualities. However, the rates of quantitative assessment of the ability of the products to foam with water (foaming indicator) and retain foam when washing (foam stability) do not characterize the qualitative characteristics of foam, which is currently an important emotional and consumer component of modern cleansers. The existing methods of qualitative assessment of foam are analyzed, and their cons are established. A new method for determining the qualitative characteristics of foam has been developed, taking into account the elimination of the identified faults. It is proposed to create a device for determining the volume mass of foam (foam density) in a wide temperature range to increase the reproducibility and accuracy of the determined value. It is proposed, in addition to density, to evaluate the characteristics of foam as a colloidal dispersed system by microscope observation, which allows you to visually assess its dispersion (mono- or poly-), the degree of homogeneity and predict the nature of "aging". Such a complex approach to the study and evaluation of foam properties creates opportunities for the targeted development of products with the specific properties of a new generation, expanding the range of high-quality consumer products as it allows the use of products not only to achieve the cleansing function, but also to give pleasant sensations, emotional joy and pleasure in their usage.

Keywords: foam, methodology, hygienic cleansers, density, foaming, dispersed system, dispersion, degree of homogeneity.

Введение

Гигиенические моющие средства стали верными атрибутами нашей повседневной жизни. Ежедневно мы используем значительные количества жидкого мыла, гелей для душа, пены для ванн и других продуктов не только для очищения, но и для получения удовольствия в сочетании с любимыми водными процедурами. Дети не представляют себе купание без воздушной и ароматной пены.

Коллоидная химия представляет пену как высококонцентрированную дисперсную систему, воздушно-жидкостную, образованную молекулами ПАВ, на границе раздела фаз [1]. Пузырьки воздуха заперты в жестком каркасе из пленки, такая конструкция обладает устойчивостью и поэтому не распадается сразу после образования [2], [3], [4], [5].

Структуры пен разнообразны и определяются формой пузырьков, размерами и упаковкой [6]. Дисперсная фаза пены имеет сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму [7]. Можно также различить ячеистую структуру пены, возникающую в момент перехода сферической формы пузырьков в полиэдрическую [8], [9], [10], [11].

Между пузырьками при этом располагаются пленки жидкости, образующие так называемые треугольники Плато. Под углом, близким к 120°, жидкие пленки сходятся в многогранники, образуя стенки пузырьков. Утолщения в местах соприкосновения называются каналами. Треугольники формируются в поперечном сечении, в указанных каналах. Узел образуется в месте схождения четырех каналов в одной точке. Из каналов и узлов формируется вся структура пены [12], [13], [14].

Основной функцией пены традиционно является удаление загрязнений с поверхности кожи и волос. В ее присутствии происходит дробление, диспергирование загрязнений и втягивание их в пену за счет капиллярных сил [15].

Материалы и методы

В настоящее время пенообразование и устойчивость пены является стандартными показателями качества всех моющих средств, используемых для гигиенического очищения.

Существуют следующие методики определения характеристик пены:

• ГОСТ 22567.1-77 «Средства моющие синтетические метод определения пенообразующей способности»;
• измерение первоначального объема пены по методу ВНИИЖ, определение кратности;
• определение показателя устойчивости пены по ГОСТ 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров.

Общие технические требования и методы испытаний

Сущность метода определения пенообразующей способности по ГОСТ 25567.1-77 заключается в определении высоты столба пены, образующейся при свободном падении 200 см3 водного раствора испытуемого средства с высоты 900 мм на поверхность такого же раствора [16]. Однако данная методика не позволяет измерить плотность пены.

Сущность метода определения кратности и показателя устойчивости пены по ГОСТ 50588-2012 заключается в измерении массы до и после заполнения пеной емкости для сбора пены с последующим вычислением кратности пены и определением показателя ее устойчивости [17].

Недостатком данной методики является отсутствие приспособления для определения объемной массы пены при изменении температуры. Создание пены с помощью генератора пены требует для анализа большие объемы анализируемого образца, что делает не приемлемым данный метод при анализе продуктов, относящихся к масложировой и парфюмерно-косметической отрасли.

Сущность метода измерения первоначального объема пены по методу ВНИИЖ заключается в приготовлении 0,5% мыльного раствора, который помещают в воронку прибора, закрывают ее пробкой и встряхивают в течение 1 мин (около 180 встряхиваний), после быстро вынимают пробку и сразу измеряют объем пены в делительной воронке и ее конусной части.

Недостатком устройства является отсутствие возможности проведение определения объемной массы пены при разных температурных значениях, что приводит к ограниченной области его применения. Расположение электродвигателя и редуктора устройства для создания пены в верхней части штатива влияет на воспроизводимость показателей, так как при работе прибора происходят не только возвратно-поступательные движения делительной воронки, но и колебательные. Конструкция штатива и верхнее расположение привода влияет на долговечность использования прибора.

Результаты и обсуждения

На сегодняшний день тенденции рынка косметических средств диктуют нам качественно новые функции пены, связанные с ее способностью влиять на органолептические ощущения. Прежде всего, это наши тактильные ощущения мягкости, нежности, шелковистости плотности, кремнистости при нанесении очищающих средств, а также визуальные образы желаемых форм, объемов, воздушности в пенах для ванн. В настоящее время, помимо смываемых гигиенических моющих средств, все большей популярностью пользуются у потребителей продукты способные образовывать несмываемую пену (освежающие пенки для полости рта, пенки для ухода за телом и т. д.).

Для того, чтобы соответствовать постоянно возрастающим требованиям потребителей, необходимо разрабатывать все новые и новые виды пенообразующих косметических средств. Они должны обладать не только очищающими свойствами с повышенным содержанием пены и ее длительной устойчивостью, но и увлажняющими, смягчающими свойствами с новыми необходимыми для потребителей дополнительными качественными характеристиками, такими как плотность пены, ее кремнистость, с приятным ощущением легкости при использовании. Для создания такой качественно новой пены используют качественно новые ПАВ, а также специальные усилители и стабилизаторы.

Таким образом, на первое место уже встает задача не только стандартизации количественного определения пены, но и ее качественной характеристики (объемной массы), которую необходимо измерять и стандартизировать.

В данный момент разработчик при разработке сложных пенных продуктов может ориентироваться только на внешний вид пены, что является субъективным показателем и не может объективно охарактеризовать выполнение заданной цели. Любая субъективная, не стандартизированная оценка приводит к увеличению времени разработки и не дает возможности выпуска продукта с неизменно стандартными показателями.

Мы разработали новую методику, решающую выше обозначенные проблемы, а также исследовали полученные пены микроскопированием.

 

Способ определения объемной массы пены

Учитывая все вышеизложенные недостатки методик, предлагается создание устройства для определения объемной массы пены в широком диапазоне температур для повышения воспроизводимости и точности определяемой величины.

Технический результат достигается использованием делительной воронки имеющей обечайку для подачи греющей воды, что обеспечивает поддержание необходимых температурных режимов для измерения. Конструктивное изменение расположения привода устройства в нижней части устройства с опорами в виде пластин позволит уйти от дополнительной вибрации во время работы прибора, что увеличит срок эксплуатации прибора.

Определение объемной массы пены, пенообразующую способность и устойчивость пены допускается проводить в интервале температур от 25 до 90 °С, при концентрациях растворов ПАВ от 0,1 до 10 г/см³ и жесткости воды от 0 до 7,14 мг•экв/см³. Устройство для определения объемной массы пены представлено на рисунке 1.

Рис. 1 – Устройство для определения объемной массы пены:
1 – штатив; 2 – воронка делительная объемом 500 см3 с двойной обечайкой; 3 – крышка с пришлифованным соединением; 4 – кран; 5 – неподвижная лапка; 6 – подвижная лапка; 7 – зажимная гайка; 8 – прижимная пружина;
9 – штанга; 10 – направляющие втулки; 11 – электродвигатель; 12 – редуктор; 13 – втулка вала редуктора;
14 – кривошипно-шатунный механизм; 15 – шатун; 16 – подшипник; 17 – химический стеклянный стакан;
18 – термостат; 19 – помпа; 20 – термометр; 21 – гибкие соединяющие шланги

Принцип действия установки заключается в том, что подготовленную пробу помещают в делительную воронку стандартного диаметра с ценой деления 1мм и водяной рубашкой, которую соединяют с термостатом, обеспечивающим заданную температуру измерения. Исследуемый раствор выдерживают 5 – 10 мин для доведения температуры до заданной. Проводится встряхивание за счет электродвигателя в течение 1 минуты (около 180 встряхиваний). После проводим измерение столба пены в мм, устойчивости пены и плотности.

Методика включает в себя следующие стадии:

• приготовление рабочего раствора (0,5% раствор);
• отбор пробы (50 см³);
• взвешивание отобранной пробы на весах с установленной точностью;
• приготовление пены из отобранной пробы на устройстве рисунок 5;
• измерение высоты столба образовавшейся пены по числу делений в мм;
• выдерживание в течение 5 минут до отделения жидкости от пены, которую сливают и взвешивают с установленной точностью;
• измеряют высоту столба пены по числу делений в мм после удаления отделившейся жидкости, при этом в качестве физико-химической характеристики определяют устойчивость и плотность пены по формуле (1,2)

Расчеты показателей устойчивости и плотности пены:

Устойчивость пены вычисляют по формуле (1):

где У – устойчивость пены;

 – начальная высота столба пены, мм;

– высота столба пены по истечению 5 мин, мм.

Плотность пены вычисляют по формуле (2):

где  – плотность пены, г/мм³;

 – масса пробы рабочего раствора, г;

 – масса отделившейся жидкости после выдерживания, г;

V – объем столба пены после выдерживания и удаления выделившейся жидкости, мм³, рассчитанный по формуле (3)

где d – диаметр измерительной колонки, мм.

Если уровень столба пены имеет неровную поверхность, то за высоту столба пены принимают среднее арифметическое замеров максимальной и минимальной высот пены. Перед каждым новым определением мерный цилиндр промывают дистиллированной водой. Разница между диаметрами трубок отдельных приборов оказывает влияние на высоту образовавшегося столба пены. Поэтому для каждого прибора необходимо установить поправочный коэффициент, при помощи которого пересчитывают все полученные при измерениях значения на значения, отвечающие высоте столба пены, точно измеренной прибором с внутренним диаметром трубки 50 мм.

Поправочный коэффициент вычисляют по формуле

Где D₁ – фактический внутренний диаметр испытуемого прибора, мм;

2500 = (50)² – внутренний диаметр трубки стандартного прибора в квадрате.

Были проведены измерения объемной массы пены (V,см³) модельных растворов лауретсульфата натрия, кокамидопропилбетаина, моностеарата глицерина, алкилбетаина, стеарат натрия.

За окончательный результат измерения принимают среднеарифметическое значение результатов трех параллельных измерений, проводимых каждый раз с новой порцией мыльного раствора.

Все результаты исследований по методике определения объемной массы пены приведены в таблице 1.

Таблица 1– Результаты исследования модельных растворов ПАВ

Наименование ПАВ	Н0, мм	Н5, мм	Y	V, см3	m1, г	m2, г	ρ·103, г/см3	Т раствора, °С
Лауретсульфат натрия	143,0	135,9	0,95	266,7	48,0	35,43	47,13	40
Кокамидопропилбетаин	85,0	77,4	0,91	151,9	46,6	39,54	46,48	40
Моноглицериды жирных кислот (Моностеарат глицерина)	120,0	96,0	0,80	188,4	46,4	38,79	40,39	80
Алкилбетаин	135,0	108,0	0,80	212	47,2	44,98	10,47	40
Стеарат натрия	70,0	65,1	0,93	127,8	47,0	38,35	67,68	40

Результаты исследования модельных растворов ПАВ показывают, что природа ПАВ определяет способность образования пены с различной степенью плотности и устойчивости. Как правило, высокие показатели плотности пены сопровождаются высокими показателями устойчивости (стабильности во времени).

Данная методика была применена нами для индивидуальных ПАВ с различной природой, но на практике целесообразно изучать синергетические композиции ПАВ с наличием, помимо основных пенообразователей, также усилителей и стабилизаторов пен. На основе таких композиций можно разрабатывать новые конкурентоспособные продукты с высокими потребительскими свойствами.

Кроме того, поскольку данная методика позволяет проводить измерения в широком интервале температур, открываются широкие возможности проектировать составы и обеспечивать их высокие потребительские свойства непосредственно в процессе эксплуатации. Например, пенообразование шампуня важно оценивать при мытье волос в теплой воде (40 °С), синтетических моющих средств – как в холодной (20-25 °С), так и в горячей воде (более 40 °С), средства для стирки необходимо оценивать в различном диапазоне температурных режимов (от 20 до 90 °С).

Исследование пены под микроскопом

Мы провели исследования полученных пен под микроскопом с целью определения влияния природы ПАВ в определенный момент времени на характер и свойства пены. Для этого использовались образцы пен, полученные методикой определения объемной массы пены, после определения устойчивости пены (через 5 мин. после начала эксперимента). Фотографии пен под микроскопом Микромед 3 показаны на рисунке 2.

Рис. 2 – Вид пен ПАВ под микроскопом Микромед 3 увеличение 40х:
1 – лауретсульфат натрия; 2 – кокамидопропилбетаин; 3 – моностеарат глицерина; 4 – алкилбетаин; 5 – стеарат натрия; 6 – алкилполиглюкозид

Полученные результаты подтверждают взаимосвязь характера и свойств пены с природой ПАВ. Ниже в таблице 2 приведены основные характеристики тестируемых веществ, являющихся промышленным сырьем для производства пеномоющих продуктов [19], [21], [24], [27].

Таблица 2 – Основные характеристики тестируемых веществ

Характеристики/ ПАВ	Лауретсульфат натрия	Кокамидопропил-бетаин	Моностеарат глицерина	Алкилбетаин	Стеарат натрия
Химическая формула	CH3(CH2)10CH2 (OCH2CH2)nOSO3Na	С19Н38N2O3	С21Н40О2(ОН)2	С14Н29N+(CH3)2CH2OO‒	C17H35COONa
Структурная формула
Молярная масса, г/моль	420	342,288	358,56	282,499	306,46
Вид	анионактивный	амфотерный	неионногенный	амфотерный	анионактивный
INCI	Sodium Laureth Sulfate	Cocamidopropyl Betaine	Glyceryl Stearate	Lauryl-Myristyl Betaine	Sodium Stearate
CAS №	68891-38-3	61789-40-0	123-94-4	66455-29-6	822-16-2
Пенообра-зующая способность, мм	143	85	120	135	70
Устойчивость пены	0,95	0,95	0,8	0,8	0,93
Функция	основной ПАВ	со-ПАВ	эмульгатор	со-ПАВ	основной ПАВ, эмульгатор, структурообра-зователь

Проанализировав под микроскопом вышеперечисленные пены растворов ПАВ, мы видим, что они все, являются полидисперсными, т. е. пузырьки газа имеют разные размеры. Чем меньше пузырек газа, тем больше в нем давление. Следовательно, во времени самопроизвольно идет процесс диффузии газа из маленьких пузырьков в большие, при этом маленькие пузырьки становятся еще меньше, а большие –увеличиваются, что приводит к изменению стабильности пены –говорят, «пена стареет». Чем больше различия в размерах пузырьков (больше степень полидисперсности), тем меньше устойчивость пены и соответственно, чем меньше полидисперсность пены и разница в величине пузырей газа, тем пена более плотная и устойчивая.

Кроме степени полидисперсности на скорость разрушения пены влияет толщина жидких пленок; самопроизвольное отекание жидкости в пленке пены приводит к ее утончению и, в конце концов, к разрыву. Чем выше толщина пленки, тем больше устойчивость пены.

Методика микроскопирования позволяет помимо основных свойств (устойчивость и плотность), также оценить и характер пен (моно, или полидисперсность, степень однородности, природу «старения»).

Комплексное применение двух вышеуказанных методик значительно расширяет возможности направленной разработки пеномоющих продуктов с заданными свойствами, а также поможет разработчикам нового промышленного сырья выводить на рынок новые конкурентные продукты, широко востребованные в различных отраслях производства.

Заключение

1. Изучены существующие методики определения характеристик пены. Ни одна из методик не позволяет определять плотность пены при анализе продуктов, относящихся к масложировой и парфюмерно-косметической отрасли.
2. Предложен новый способ определения объемной массы пены, учитывающий все недостатки существующих методик.
3. Были проведены измерения объемной массы пены (V,см3) и исследование пены под микроскопом модельных растворов лауретсульфата натрия, кокамидопропилбетаина, моностеарата глицерина, алкилбетаина, стеарата натрия.
4. Полученные результаты позволяют увидеть влияние природы ПАВ на качественные характеристики пены.
5. Предложенная методика позволит получить воспроизводимые и более точные результаты качественного определения объемной массы пены продуктов, относящихся к масложировой и парфюмерно-косметической отрасли в широком диапазоне температур.
6. Данная методика, может применяться при разработке нового сырья с улучшенными свойствами для производства пеномоющей продукции.
7. Новая методика, может быть, использована как для косметических гигиенических смываемых моющих средств, так и для широкого ассортимента несмываемой пенообразующей продукции с различными действиями и эффектами.
8. Предложенная методика упростит разработку, даст возможность расширения потребительской полки новыми пенными продуктами с интересными для потребителей свойствами и будет способствовать улучшению качества выпускаемой продукции.

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.