Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
1.1. Современное состояние теории устойчивости пены 8
1.1.1. Свойства тонких жидких пленок 12
1.1.2. Основные факторы устойчивости пенных пленок 15
1.2. Вопросы теории химического пеногашения 23
1.3. Свойства несимметричных жидких пленок 35
1.4. Выбор пенбгасителей 37
1.5. Роль пенообразования в моющем действии 38
1.6. Заключение 42
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44
2.1. Методы оценки пеногасящей способности антивспенивателей 44
2.2. Методы измерения поверхностного натяжения 51
2.3. Прибор и методика исследования тонких водных пленок 57
2.4. Метод оценки моющей способности растворов ПАВ 62
2.5. Объекты исследования 62
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРАХ ПАВ 66
3.1. Анализ условий термодинамической устойчивости несимметричных водных пленок 67
3.2. Экспериментальное изучение устойчивости свободных и несимметричных водных пленок 79
3.3. Исследование влияния жирных спиртов на пенооб -разующую способность растворов НПАВ 82
3.4. Выводы 107
ГЛАВА 4. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В МОЮЩИХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ НЕИОНОГЕННЫХ ПАВ 109
4.І. Влияние температуры и электролитов на растворимость НПАВ 109
4.2. Предотвращение пенообразования в моющих системах на основе неионогенных ПАВ 118
4.3. Влияние добавок антивспенивателей на моющую способность растворов "Термос" 133
4.4. Выводы 147
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МАЛОПЕНЯЩИХСЯ МОЮЩИХ
СРВДСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОШОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 149
5.1. Существующие методы очистки деталей электрических машин 150
5.2. Исследование влияния водных моющих композиций на свойства изоляционных материалов электрических машин морского исполнения 151
5.3. Совершенствование рецептуры водного моющего средства и разработка технологии механизированной очистки электрических машин от угле -водородных загрязнений 154
5.4. Результаты внедрения терморегулируемых моющих средств взамен ЛЕЕ для очистки электрических машин при ремонте 159
5.5. Выводы 160
6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 162
7. ЛИТЕРАТУРА 164
- Современное состояние теории устойчивости пены
- Методы оценки пеногасящей способности антивспенивателей
- Анализ условий термодинамической устойчивости несимметричных водных пленок
- Влияние температуры и электролитов на растворимость НПАВ
- Существующие методы очистки деталей электрических машин
Введение к работе
Обильное ценообразование большинства водных растворов технических моющих средств на основе синтетических ПАВ затрудняет их использование в струйных моечных агрегатах. В связи с этим возникает необходимость изучения механизма разрушения пен или предупреждения пе-нообразования, с целью разработки практических рекомендаций для создания слабопенящихся моющих композиций.
Наиболее распространенным является химический способ предупреждения пенообразования: в растворы вводят специальные вещества - ан-тивспениватели, препятствующие образованию пены или значительно снижающие ее устойчивость. Но введение антивспенивателей в состав моющих композиций часто приводит к ухудшению моющего действия и повторному загрязнению очищаемой поверхности.
В области теории устойчивости дисперсных систем, в том числе пен и тонких пленок, фундаментальные результаты получены научными школами шветских ученых: Ребиндера, Дерягина, Трапезникова, Русанова и зарубежных: Росса, Майселса, Шелудко и ряда других. Вопросам предупреждения пенообразования в растворах ПАВ при введении антивспенивателей посвящено значительно меньше теоретических работ. Во многом механизм действия антивспенивателей остается неясным. Подбор пеногасите-лей и антивспенивателей осуществляется эмпирическим путем.
Данное исследование выполнено в соответствии с планом НИР МВИМУ им. Ленинского комсомола по теме: "Разработка моющих средств для очистки судовых электродвигателей от органических и минеральных загрязнений" (№№ Госрегистрации: 770028082, 7802III7I, 80056024) с целью решения конкретной задачи: замены токсичных и легковоспламеняющихся растворителей при очистке деталей и обмоток судовых электрических машин перед ремонтом водными моющими растворами на основе ПАВ. Эта проблема носит общий характер и является одной из важных для многих ре- -'5 - юнтных предприятий страны, учитывая широкое распространение электри-сеских машин в народном хозяйстве.
Диссертация посвящена исследованию устойчивости свободных и неси-метричных водных пленок; влиянию гомологов высших жирных спиртов ВЖС), электролитов и температуры на пенообразующую способность раст-зоров НПАВ; разработке рецептуры слабопенящегося водного технического гающего средства и технологии его применения для очистки обмоток эле-стрических машин взамен органических растворителей.
Диссертация состоит из введения и пяти глав: литературный обзор, «етоды и объекты исследования, исследование закономерностей предупреждения пенообразования в растворах ПАВ и моющих композициях на основе неионогенных ПАВ, разработка и внедрение слабопенящихся водных мого-цих средств для очистки обмоток электрических машин взамен ЛВЖ, К диссертации прилагаются акты испытаний и приказы о внедрении малопеня-цихся моющих композиций.
Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 36 рисунков, 10 таблиц. Перечень литературных ссылок содержит 213 найменований.
В третьей главе диссертации рассмотрены закономерности предупре-кдения пенообразования в растворах ПАВ и определены основные критерии разрушения пенных пленок капельками антивспенивателя. Самопроизвольное разрушение пенных пленок и пены капельками антивспенивателя происходит при условии, если антивспениватель более поверхностно-активен, чем пенообразователь, а его капельки (частицы) гидрофобны и адгезия их к границе раствор ПАВ - воздух максимальна. Капельки должны иметь оптимальный размер, обеспечивающий образование в пленках или пузырьках пены дырки критического размера в момент контакта.
Установлено, что малорастворимые ВЖС (гексиловый - дециловый), вводимые в раствор НПАВ сверх их растворимости, связывают пенообразователь в виде высокодисперсной фазы ВЖС - ПАВ, на 90 - 95% снижая его первоначальное содержание в растворе.
Антивспениватели типа ВЖС различной степени растворимости, введенные в раствор пенообразователя, оказывают на него комплексное воздействие. Растворимая часть ВЖС замещает пенообразователь в адсорбционных слоях, снижая их стабилизирующую способность (гомогенный механихм), а высокодисперсные капельки (частицы) БЖС-ПАВ непосредственно разрушают пенные пленки в зависимости от концентрации компонентов в растворе (гетерогенный механизм).
В четвертой главе дано физико-химическое обоснование метода регулирования пенообраэования и устойчивости пены моющих растворов на основе ШІАВ с помощью изменения температуры. При нагревании растворов НПАВ в присутствии электролитов пенообразователь частично превращается в высокодисперсную фазу, выступающую в виде антивспе-нивателя при заданной температуре. Установлено, что максимум моющего действия моющих композиций на основе НПАВ не зависит от пенооб-разующей способности и устойчивости пены.
Изученные закономерности влияния различных добавок на изменение коллоидного состояния НПАВ и установление связи с физико-химическими и технологическими свойствами этих растворов (пенообразованием, моющей способностью) позволили разработать оптимальные рецептуры и условия применения слабопенящихся терморегулируемых технических моющих средств с заданными свойствами. Разработана, испытана и внедрен на на ряде ремонтных предприятий страны технология механизированной очистки обмоток электрических машин от загрязнений водными малопенящимися моющими средствами взамен ЛВШ. Эти результаты изложены в пятой главе.
По результатам исследования опубликовано о статей и получено I авторское свидетельство на изобретения.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на
3 Всесоюзных и Республиканских научных конференциях. За доклад по материалу диссертации на областной конференции молодых ученых (г.Мурманск) в 1978 г. награждена дипломом I степени.
В разное время мне довелось работать под руководством вьісощіе-Квалифицированных специалистов по коллоидной химии: д.х.н. Кругляко-ва П.М., к.х.н., ст.н.с. Смирновой А.В., к.х.н., доцента Зотовой К.В, к.х.н., доцента Шамровой Н.В. и других, передавших мне свой опыт и знания и оказавших помощь в работе. Приношу свою благодарность всем моим старшим товарищам, коллективу лаборатории коллоидной химии ИНХ СО АН СССР, НИО МВИМУ, а также сотрудникам технических отделов Мурманской судоверфи и объединения Мурманрыбпрома за помощь в работе.
Современное состояние теории устойчивости пены
Пены представляют собой полидисперсные коллоидные системы, содержащие в качестве дисперсной фазы газ, а дисперсионной среды жидкость или отвержденный материал.
Устойчивость пен, как неустойчивых лиофобных систем носит кинетический характер. Наличие избытка свободной энергии в системе приводит к тому, что с момента образования пенной структуры в ней начинают идти процессы, ведущие к разрушению. По времени жизни пены могут быть подразделены на короткоживущие, например, флотационные пены, и долгоживущие - пены в моющих растворах, противопожар -ные пены и т.д. Таким образом, время жизни является одной из характеристик устойчивости пены. Известно, что проблема устойчивости дисперсных систем является одной из ключевых проблем коллоидной химии.
Пена получается в результате диспергирования газа в жидкости в присутствии поверхностно-активных веществ. Если концентрация газовой фазы мала и отдельные пузырьки не связаны друг с другом, то такая дисперсная система называется обычно эмульсией газа в жидкости или "шаровой" пеной . При большем содержании газа и при наличии соответствующих условий эмульсия газа превращается в "поли -эдрическую" пену, т.е. в "структурированную ячеистопленочную сие -тему", отдельные пузырьки которой имеют вид деформированных многогранников, связанных друг с другом разделяющими их тонкими пленка-ми Такая система приобретает некоторые свойства твердого тела (например, обладает модулем упругости и сдвига) и в то же время сохраняет свойства газа (сжимается, как газ) и жидкости (может транспортироваться по трубам и т.д.).
Первые систематические наолюдения и изучение мыльных пен были проведены Плато (1870). Известные работы в этой области принадлежат марангони, Леррену, Гиббсу, Барчу, лку, Гарди, Талму -ду, Ёрчиковскому и многим другим. Наиболее существенные результаты в выяснении причин устойчивости пен получены в последние годы благодаря работам фрумкина, Ребиндера, Трапезникова, дерягина, Овербека, майсельса, Шелудко и их школ.
Методы оценки пеногасящей способности антивспенивателей
По способу воздействия на пену принято различать вещества, которые обладают резко выраженной способностью предупреждать образование пены-антивспениватели и вещества, которые хорошо разрушают образовавшуюся пену - ііеногасители - L4o-14oJ Соответст -венно этому существуют различные способы оценки эффективности пе-ногасителей и антивспенивателей. Все они учитывают уменьшение устойчивости исследуемой пены при предварительном введении антивспенивателей. Различные методы и приборы, используемые в практике подавления или предупреждения пенообразования, дают возможность изучать изменение нескольких параметров пены и происходящих в ней процессов. Наиболее часто рассматривают объем пены и разность плотностей растворов с антивспенивателем и без него - J; количество вещества, расходуемого для снижения вспениваемости на 505 14 J; количество пеногасителя, необходимого для полного разрушения столба пены и время полного разрушения столба пены определенной высоты Lit)UJ j способность антивспенивателя предупреждать ценообразование и продолжительность этого действия 1 5 -и -Ц и дрв
Интересен метод оценки эффективности антивспенивателя по его минимальной концентрации, необходимой для подавления образования черных пятен в микроскопических свободных пленках , предложенный Ексеровой 103 .
class3 ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРАХ ПАВ class3
Анализ условий термодинамической устойчивости несимметричных водных пленок
При изучении гетерогенного пеногашения (предупреждения пенообразования) в качестве модельной системы рассматривают микроскопические водные пленки из раствора пенообразователя на подложке пеногасителя (антивспенивателя), т.е. водную пленку, ограниченнуюс одной стороны воздухом, с другой - органической фазой.
Рассмотрим условия термодинамической устойчивости такой пленки на основе анализа изменения свободной поверхностной энергии системы в процессе её образования и разрушения.
В случае предупреждения пенообразования путем предварительного введения антивспенивателя в раствор пенообразователя сверх его молекулярной растворимости, т.е. при возникновении гетерогенной системы, мы имеем дело уже с равновесной системой, в которой значительно снижено влияние различных кинетических эффектов (растворения, растекания, адсорбции и т.д.), обычно наблюдающихся в процессах гашения пены. Это позволяет с большим основанием использовать термодинамический метод для анализа устойчивости данной системы.
Влияние температуры и электролитов на растворимость НПАВ
В связи с быстро возрастающим применением ПАВ в различных областях науки и технологии все более важной становится необходимо -сть исследования физико-химических свойств этих веществ.
Мы остановимся на рассмотрении физико-химических свойств только НПАВ, использованных в терморегулируемых моющих средствах.
Установлено , что НПАВ, наряду с высокой поверхностной активностью по сравнению с ионогенными ПАВ, обладают специфической способностью существенно изменять свои физико-химические свойства при нагревании. Например, если прозрачный водный раствор НПАВ,взятый при температуре 20С при концентрации выше ККМ, нагревать, то при достижении некоторой температуры, определенной для каждого соединения, отличающегося длиной оксиэтильной цепи, раствор мутнеет из-за уменьшения растворимости НПАВ. Эту характерную температуру называют температурой помутнения раствора НПАВ - Т . При охлаждний помутневшего раствора ниже Тп появившаяся мутность исчезает и вновь образуется прозрачный раствор. Если же раствор нагревать выше Т , то наблюдается выделение из раствора капелек НПАВ в виде отдельной фазы. Температура, при которой происходит этот процесс, называется температурой высаливания - Т .
Растворимость оксиэтилированных ПАВ в воде обусловлена образованием гидратов вследствие возникновения водородных связей между молекулами воды и эфирными кислородными атомами полиэтиленгликоле-вого остатка. При повышении температуры прочность водородных свя -зей (равная 29 дж моль) между молекулами воды и эфирным кислородом ослабевает, происходит их дегидратация, т.е. уменьшение раст -воримости молекул НПАВ и помутнение. Температуры помутнения и вы -саливания являются важными показателями для характеристики степени полиоксиэтилирования продукта. Увеличение длины полиоксиэтиленовой цепи у НПАВ более 20 групп сильно увеличивает способность таких цепей к гидратации и их водные растворы не мутнеют даже при кипяче НИИ.
class5 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МАЛОПЕНЯЩИХСЯ МОЮЩИХ
СРВДСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОШОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН class5
Существующие методы очистки деталей электрических машин
Обмотки электрических машин в процессе эксплуатации загрязняются смесью пыли и масла, графитом, сажей и металлическими час-тицами 1204-206] #
Наблюдается два типа загрязнений: сухие и вязко-липкие. Количество и содержание различных компонентов в них зависит от условий и продолжительности эксплуатации машин l- O/J #
При воздействии влаги, особенно при попадании морской воды, на изоляционных поверхностях судовых электрических машин образуются отложения токопроводящих осадков солей и их сложные смеси с другими видами загрязнений. Удаление таких загрязнений сопряжено с еще большими трудностями . Поскольку загрязнения значительно снижают сопротивление изоляции, что может вызвать междувитковое замыкание или короткое замыкание между двумя фазами, обмотки электрических машин необходимо периодически подвергать тщательной очистке и восстановлению электроизолирующих свойств покрытий на проводах -1 .
За рубежом для очистки электрооборудования в настоящее время широко применяют фтор-и хлорпроизводные углеводородны и моющие композиции на их основе в смеси с органическими растворителями L uJf В Советском Союзе до настоящего времени на большинстве предприя -тий широко применяются органические растворители: бензин, керосин, спиртовые растворы, перхлорэтилен и моющие жидкости МЖ-70 и МЖ-7І в виде смеси растворителей № \ . Жидкости МЖ не являются пожароопасными, но сильно токсичны и при длительном воздействии (более 15 мин) разрушают изоляционные материалы L iJ-l #
В последнее время все чаще для ремонта электрооборудования обращаются к водным растворам щелочей с добавками поверхностно--активных веществ. К недостаткам моющих средств на основе поверхностно-активных веществ следует отнести их большую пенообразующуюспособность. Особенно большое количество пены, препятствующей получению удовлетворительного качества очистки,образуется при струйном обезжиривании в моечных машинах. Поэтому при составлении ре -цептур многие авторы идут по пути введения в моющие композиции большого количества электролитов и незначительного количества ПАВ. Но, как правило, это малоэффективные составы, к тому же использование их для очистки электродвигателей приводит к образованию то-копроводящих осадков солей на поверхностях обмоток электрических машин.
Как видно из этого краткого обзора литературы, в практике очистки электрических машин наблюдаются две тенденции. Первая - применение органических растворителей, нежелательное как с точки зрения высокой токсичности, пожаро-и взрывоопасности, так и с точки зрения трудности соблюдения правил техники безопасности и Закона об охране окружающей среды. Вторая - использование водных моющих компози -ций, включающих в свой составыповерхноетно-активные вещества и электролиты.
При разработке моющих средств для очистки электрооборудова -ния необходимо учитывать ряд специфических и довольно жестких требований, предъявляемых производством: сохранение изолирующих свойств обмоток; пожаробезопасность и нетоксичность при их использовании; высокая эффективность моющего действия; недопустимость обра -зования на обмотках проводов каких-либо токопроводящих осадков; сопротивление изоляции электрических машин после очистки моющими средствами не должно быть ниже исходного.
