книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

Добавки 8 М раствора мочевины мало влияли на межфазную прочность на границе масло/вода при 40° С. Очевидно, это можнс объяснить малой поверхностной активностью мочевины и, сле­ довательно, сравнительно меньшей эффективностью разрушения водородных связей в слое. Однако добавление 10%-ного салицилата натрия (более сильного поверхностно-активного агента) приводит к разрушению водородных связей в межфазном слое и как следствие этого — к крайне малой межфазной прочности.

Р5,дин/см

Рис. 12. Изменение прочности межфазного слоя во времени на границе водного раствора жела­ тины (с = 1 в/100 мл) с бензолом (1), циклогексаном (2) и «-гепта­ ном (3) (pH 4,9 и 40° С)

Рис. 13. Изменение прочности ад­ сорбционного слоя во времени на границе водного раствора желати­ ны (с = 1 г/100 мл) с бензолом при 40° (1), 50° (2), 60° С (3) и на границе с воздухом при 40° (4),

50° (5), 60° (6) (pH 4,9)

Эти результаты, а также данные по понижению прочности меж­ фазных адсорбционных слоев желатины с увеличением темпера­ туры (по аналогии со свойствами гелей желатины) служат дока­ зательством определяющей роли межмолекулярных водородных связей в возникновении прочных межфазных структур.

Определение коалесценции по времени жизни капель у плоских поверхностей раздела жидких фаз

Известно много методов оценки устойчивости эмульсий к коалес­ ценции [92]. Рассмотрим результаты измерений, характеризующих отдельный акт коалесценции, а именно время жизни элементарной капли у плоской поверхности.

Метод исследования коалесценции по времени жизни капель на границе м/в, предложенный Ребиндером и Венстрем [93], в дальнейшем был применен рядом исследователей [94—100]. Для сравнения времени устойчивости капель на границе раздела фаз

180

в разных условиях необходимо, Чтобы они имели одинаковый размер. Время жизни капель является сложной функцией их размера, по опубликованным данным вид этой зависимости не однозначен. Так, заметной зависимости времени жизни капель от их размера в диапазоне объема капель 0,005—0,01 мл не наблю­ далось [95], а при меньших объемах время жизни капель резко увеличивалось. С другой стороны, наблюдалось увеличение вре­ мени жизни с увеличением размера капель [96, 99, 101]. Из ска­ занного очевидна важность получения капель различного раз­ мера и постоянного в каждой серии опытов независимо от вели­ чины межфазного натяжения.

Используемый нами прибор (рис. 14), предложенный Эль-ГОими [102], выполнен из стекла и состоит из двух частей, соединенных друг с другом шли­ фом 1. Этот шлиф служит для удобства промывания и обращения с прибором. Через шлиф проходит капиллярная трубка 2 с оттянутым кончиком. В ста­ кан 3 диаметром 9 см помещают две несмешивающиеся жидкости I и II. Стакан закрывают пришлифованной крышкой 4 с отверстием для термометра 5. Каплеобразующее устройство состоит из точно прокалиброванного микро­ винта 6, который давит на поршень микрошприца. Капли масла нужного

размера образуются и приходят в состояние равновесия (стареют) на капил­ лярном кончике 7 далеко от поверхности раздела. Это позволяет избежать

нежелательного отрыва капель в результате механической вибрации или изза градиента температур. Для того чтобы не допустить случайного отрыва, в капиллярной трубке предусмотрено колено 8, которое задерживает даль­

нейшее продвижение капли. Капля после старения очень легко отрывается медленным потоком второй фазы, подаваемой с помощью шприца 9. Чрезвы­

чайно важно соблюдать такую скорость течения второй фазы, при которой капля приближается к поверхности раздела с наименьшим ударом. Прибор после промывания хромовой смесью и пропаривания помещают в термостат на специальном штативе. Температуру воды в термостате регулируют с точ­ ностью ± 0,01°. Перед проведением опыта нужно вводить масло — фазу I в шприц 10 и водный раствор ПАВ, т. е. фазу II в шприц 9. Затем с помощью шприца соответствующими жидкостями вытесняют воздух из трубок 2 и 11.

После этого жидкости заливают в стакан. Расстояние между капиллярным кончиком 12 и границей раздела жидкостей должно быть наименьшим (1—2 мм) с учетом размера капли.

Для статистической обработки полученных результатов следует изме­ рять время жизни не менее 100 капель в каждом опыте. За время жизни ка­ пель принимают интервал времени между моментом контакта капли с гра­ ницей раздела жидкостей и моментом слияния ее с верхней фазой. Так как т (время ж и з н и отдельных капель) изменяется в довольно широком диапазоне, то медиана времени т,^, рассчитанная из кривых распределения N IN 0 в зави­

симости от т (где Лг0 — число всех капель, Лг — доля капель, не коалесци­

Как видно из данных кривых рис. 15, представляющих собой результаты двух отдельных опытов для капель бензола на границе

181

вода/бензол, воспроизводимость результатов хорошая. Полу­ ченная величина ъд = 6,1 сек совпадает с результатами других авторов (6 сек) для того же объема капли и при тех же условиях опыта. Объем капли воспроизводился с точностью до + 5 % . Следует отметить, что полученная кривая имеет вид нормального распределения (по Гауссу) времен жизни.

Предложенный прибор имеет следующие преимущества. С помощью каплеобразующего устройства на одном и том же капиллярном кончике можно получить капли разных размеров в довольно большом диапазоне без смены наконечников (капилля-

Рис. 14. Схема прибора для измерения времени жизни капель прямого типа у плоских поверхностей раздела двух жидких фаз

Рис. 15. Распределение времени жизни капель бензола в воде (объем капли

0,01 мл\ 25° С)

ров). Метод дает возможность фиксировать положение капли на поверхности раздела фаз. Капли находятся все время в центре над капиллярным кончиком. Это дает возможность равномерного вытеснения межфазной прослойки при коалесценции. То, что образование капли происходит далеко от поверхности раздела фаз, обеспечивает плавный отрыв. Движение капли через трубку 2 может осуществляться с любой скоростью с помощью шприца 9. Прибор может быть использован и для определения времени жизни пузырька газа на границе раздела фаз.

Следует отметить, что одновременное измерение времени жизни капель и поверхностного натяжения по счету капель на границе раздела двух жидких сред, как это проводилось в работе [103], принципиально не обеспечивает требуемой точности.

Для общего сопоставления нами изучалось поведение капель обратного типа, т. е. капель исследуемого раствора в среде угле­

182

водорода. Для этой цели был сконструирован прибор, схема ко­ торого показана на рис. 16.

Прибор сделан из стекла, основная его часть представляет собой стакан 1 диаметром 9 см, содержащий внутри чашку 2 диаметром 7 см, на поверхности которой находятся капли данного раствора. Чашка соединена с трубкой 3 через тщательно пригнанный шлиф 4. Чашку заполняют раствором с помощью шприца 5, контролирующего кривизну поверхности раздела и очищающего межфазную поверхность 6 удалением части раствора через край чашки, что

позволяет при необходимости создать свежую межфазную' поверхность. Удаленный раствор из-за разности плотностей стекает вниз, откуда легко

12

Рис. 16. Схема прибора для из­ мерения времени жизни капель обратного типа у плоских поверх­ ностей раздела двух жидких фаз

отсасывается через трубку 7 с помощью водоструйного насоса. Простран­

ство вокруг чашки заполняют углеводородом, уровень которого превышает уровень краев чашки примерно на 1 см. На крышке стакана имеются отверстия, через которые в стакан помещают термометр 8, микрошприц 9 и трубку 10 с вытянутым концом. Стенки стакана обеспечивают установле­

ние постоянного уровня углеводорода после отсасывания.

Трубка 10 имеет шлиф, в который вставляется шприц для введения угле­

водорода. В обычном рабочем состоянии отверстие шлифа закрыто притер­ той пробкой. Конец трубки специально вытянут к стенке стакана, чтобы уст­ ранить нежелательные гидродинамические эффекты. Иглу микрошприца 11

погружают в углеводород на несколько миллиметров над поверхностью раст­ вора 6. Капли образуются с помощью винта 12, который давит на поршень.

Внешняя рамка винта, впаянная в металлическую часть шприца, обеспечи­ вает центрирование оси поршця. Вращение винта на определенное число оборотов дает возможность воспроизводить капли, размеры которых варьи­ руются не в очень большом Диапазоне. Следует подчеркнуть, что с по­ мощью этого устройства нельзя претендовать на хорошую воспроизводи­ мость размеров капель. Целью являлось получение общей картины за­ кономерностей, по которой можно было бы судить о порядке времени жиз­ ни капель водного раствора в углеводородной среде по сравнению с теми же каплями углеводорода, которые стабилизируются из водных растворов макро­ молекул.

183

Опыты, проведенные с растворами желатины, яичного альбу­ мина и ПВС в углеводороде, показали, что большинство капель коалесцировало после очень короткого времени (1,5 сек), неболь­

порядка 1,0 г/100 мл; измерение проводилось при комнатной температуре. Эти опыты свидетельствуют о том, что обратная эмульсия неустойчива в таких системах. Отметим, что капли углеводорода (эмульсии прямого типа) при той же концентрации имели практически бесконечно большое время жизни.

Для проверки влияния межфазной прочности на устойчивость капель масла к коалесценции нами сравнивались результаты измерений прочности межфазных слоев и время жизни элементар­ ных капель на тех же границах раздела. Опыты по устойчивости капель на границе раздела фаз проводились на приборе, кото­ рый позволяет получать капли одинакового размера [102]. Изуча­ лась устойчивость капель объемом 0,002—0,008 мл, так как предварительными опытами было установлено, что в этом интер­ вале размер капель не влиял на время их жизни. В большин­ стве опытов размер капель был равен 0,005 мл. Как и при изу­ чении межфазной прочности желатины, исследовали влияние кон­ центрации, pH, ионной силы, температуры, добавок различных углеводородов и добавок, разрушающих водородные связи, на время жизни капель. Как было показано, межфазная прочность достигает своего предела через 4 час на границе раздела водный раствор желатины/углеводород, поэтому опыты по каолесценции проводили через 5 час после старения межфазного слоя.

Определения времени жизни капель бензола проводили при концентрациях желатины от 0,1 до 4,0 г/100 мл (pH 4,9, 40° С) через 5 час после образования межфазного слоя (табл. 1).

Влияние pH на время жизни капель бензола (в сек) на грани­ це водный раствор желатины (с = 1,0 г/100 мл)1бензол при 40° С через 5 час после образования межфазного адсорбционного слоя представлено в табл. 2.

184

Максимальная устойчивость наблюдалась при изоэлектрическом значении pH водного раствора желатины и уменьшалась симметрично при удалении от изоэлектрического состояния. При добавлении мочевины к этому раствору желатины при тех же условиях (pH, 4,9) наблюдалось незаметное понижение времени жизни капель. Особенно заметно снижалось время жизни капель при добавлении 10%-ного раствора салицилата натрия (табл. 3).

Влияние добавок электролита (0,5 N КС1) на время жизни (Ту2, сек) капель бензола на границе раствор желатины (с = 1 г/100 л*л)/бензол при разных pH и 40° С представлено ниже:

Видно, что после добавления электролита при pH 2,8 и 8,8 время жизни капель бензола немного увеличивалось на межфаз­ ной границе, тогда как добавление соли в растворы при изоэлектрическом значении pH приводило даже к уменьшению времени

.жизни капель.

Как было показано, структура межфазного слоя зависит от природы второй фазы. Поэтому представляет интерес обсудить результаты измерения времен жизни капель, полученных для различных углеводородов. Результаты представлены в табл. 4.

185

порядок, установленный в опытах по исследованию прочности межфазных слоев.

Влияние температуры для капель бензола на границе водный раствор желатины/углеводород представлено в табл. 5.

Наблюдалось, что вплоть до 0,5?4-ных растворов желатины коалесценция капель углеводорода проходила в несколько ста­ дий. Детальное объяснение этого явления дано в работе [101].

При увеличении концентрации желатины до 0,5 г/100 мл время жизни Ti/2 увеличивается незначительно, затем резко воз­ растает при концентрации 3 г/100 мл и далее практически не изменяется. Как видно из рис. 17, изложенные результаты по изменению времени жизни элементарных капель хорошо согла­ суются с данными по прочности межфазных слоев.

Предполагается, что поверхностная прочность адсорбционных слоев отражает межмолекулярное взаимодействие макромолекул, приводящее к структурированию в поверхностном слое. Значе­ ние прочности достигает предельного значения при концентрации 3,0 г/100 мл в растворе желатины на границе с бензолом (t = = 40° С), свидетельствуя о том, что процесс построения адсорб­

186

ционного слоя заканчивается и поэтому дальнейшее увеличение концентрации незначительно влияет как на межфазную проч­ ность, так и на время жизни капель.

Зависимость времени жизни капель бензола от pH (рис. 18) не находится в полном соответствии с данными по прочности меж­ фазных слоев растворов желатины на границе водный раствор желатины/бензол. Ход кривых зависимости Ту, от pH более симметричен, чем при изменении зависимости межфазной проч­ ности от pH. В изоэлектрической точке наблюдалось наибольшее время жизни капли, это соответствует наибольшей прочности

Рис. 17. Зависимость времени жизни (1) и межфазной прочности (2) через 5 час после образования межфазного слоя на границе водный раствор жела­

тины/бензол от концентрации при pH 4,8 и 40° С

Рис. 18. Зависимость времени жизни (1) и межфазной прочности (2) через 5 час после образования межфазного слоя на границе водный раствор

желатины/бензол от pH при 40° С

межфазного адсорбционного слоя. В щелочной же области время жизни капель достаточно велико, хотя межфазная прочность очень мала. В этом случае, по-видимому, устойчивость капель бензола обеспечивается межфазной вязкостью. Для подтверждения этого предположения проводилось несколько качественных опытов по определению поверхностной вязкости слоев при pH 8,8 и 10,5 апериодическим методом. Результаты опытов обнаружили повы­ шенную поверхностную вязкость при этих величинах pH. При добавлении электролита к растворам жалатины при pH 2,1 и 8,8 наблюдалось увеличение времени жизни от 87 и 100 сек до 110 и 115 сек соответственно. В этих же условиях, как указыва­ лось выше, увеличивалась и межфазная прочность адсорбцион­ ных слоев за счет экранирования электролитом одноименных зарядов на молекулах желатины.

Исходя из сказанного выше, можно прийти к выводу о том, что устойчивость капель к коалесценции в присутствии желатины

187

в качестве эмульгатора обусловлена структурно-механическим барьером, образованным за счет адсорбционного межфазного слоя на границе раздела фаз, формирующегося со стороны дисперсион­ ной среды.

Молекулярные взаимодействия в .смешанных адсорбционных слоях

на границах раздела водный раствор/углеводород

Поверхностные свойства смешанных слоев, содержащих не­ сколько компонентов, являются весьма важными в биологических системах. Свойства монослоев, состоящих из двух нерастворимых компонентов, изучались различными школами. Было доказано существование дискретных молекулярных соотношений в смешан­ ных монослоях [109]. Шульман и Кокбейн [110] изучали моле­ кулярное взаимодействие двух растворенных ПАВ на границе вода/масло, когда одно из этих веществ растворимо в масляной фазе, а другое — в воде.

Прочность межфазных смешанных адсорбционных слоев на границе вода/бензол в присутствии водорастворимых и углево­ дородорастворимых поверхностно-активных добавок и времена жизни капель до коалесценции на тех же границах изучались

вработе [111]. В качестве водорастворимой поверхностно-активной добавки была выбрана желатина, а маслорастворимой — олеи­ новая, лауриновая, стеариновая кислоты и холестерин. Время жизни капель бензола, в котором растворялось 0,05 молъ/л олеи­ новой, лауриновой, стеариновой кислот и холестерина на границе с водой (15—20 сек), незначительно отличалось от времени жиз­ ни бензольных капель (6,1 сек) на границе вода/чистый бензол. Добавление желатины к воде приводит к увеличению времени жизни (т,/г) капель бензола до 270 сек. Особенно же Ту, велико, когда образуется смешанный адсорбционный слой. Значение вре­ мени жизни капель бензола на границе водный раствор желатины/бензол в присутствии 0,005 молъ/л холестерина равно 794 сек,

вприсутствии стеариновой кислоты 1120 сек, а добавление олеи­ новой и лауриновой кислот повышает время жизни Ту, до 104 сек.

Результаты измерений межфазной прочности представлены на рис. 19 и в табл. 6.

При образовании смешанного межфазного адсорбционного слоя прочность увеличивается (кривые 2—5) по сравнению с прочно­ стью межфазного слоя на границе водный раствор желатины/бензол (кривая 1) почти в 2 раза. Данные табл. 6 показывают зави­ симость межфазных смешанных адсорбционных слоев от кон­ центрации водорастворимой поверхностно-активной добавки — желатины и маслорастворимых ПАВ: олеиновой, стеариновой и лауриновой кислот и холестерина. Видно, что увеличение кон­ центрации желатины приводит к увеличению прочности смешан­ ных межфазных адсорбционных слоев, тогда как увеличение

188

концентрации маслорастворимых добавок выше 0,005 молъ/л не приводит к увеличению межфазной прочности.

Прочность смешанных межфазных адсорбционных слоев и время жизни капель углеводорода до коалесценции в исследуемых системах всегда больше, чем в условиях, когда водорастворимые и маслорастворимые поверхностно-активные добавки взяты в отдельности. Растворенные в углеводороде ПАВ ориентируются так, что их полярные группы направлены в сторону адсорбцион­ ных слоев желатины, при этом возможно образование дополни­ тельных водородных и гидрофобных связей между полярными группами обюих ПАВ (масло- и водорастворимых). Поэтому проч­ ность межфазных слоев и время жизни элементарных капель на этих же границах раздела фаз увеличиваются. Однако значе­ ния прочности смешанных межфазных адсорбционных слоев зави­ сят от природы маслорастворимой поверхностно-активной добав­ ки и располагаются в следующий ряд: олеиновая кислота >

>лауриновая кислота > стеариновая кислота > холестерин. Самая малая прочность смешанного адсорбционного слоя обнару­

жена на границе водныйраствор/холестерин. Это связано с конфигу­

189