КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАПОТЕВАНИЯ И ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C09K3/18 

Изобретение относится к средствам, применяющимся против запотевания и сэледенения, и может быть использовано для предотвращения запотевания и обледенения оптических деталей и поверхностей медицинских приборов и инструментария. Композиция также может быть применена в различных отраслях промышленности, быту, автокосметике и других отраслях народного хозяйства.

Известны композиции и смеси, обладающие антизапотевательными и антиобледенительными свойствами [6, 7, 8, 9, 10, 11], использующиеся в промышленности и быту. В основном, можно выделить два основных компонента, обязательных для получения смесей, с рассматриваемыми свойствами - это действующее вещество и растворитель. Как действующий компонент в этих смесях используются: глицерин, сложный эфир перфторполиоксаалкилкарбоновой кислоты и полиэтиленгликолевого эфира моноизононилфенола, моноалкиловый эфир полиэтиленгликоля, тиомочевина, полиоксиэтиленгликолевый эфир синтетических первичных высших спиртов фракции С12-С14 (синтанол АЛМ-10), техническая жидкость «Кристалл». Данные соединения являются поверхностно-активными веществами, проявляющими амфифильные свойства, чем и обусловлено их действие, предотвращающее запотевание и обледенение. В качестве растворителя в рассмотренных аналогах чаще всего заявлены: вода, поливиниловый спирт, пропанол-1, пропанол-2, этанол. Применяются различные "комбинации и соотношения как основных действующих веществ, так и растворителей. Все зарегистрированные композиции предназначены для использования в промышленности, автокосметки и быту.

Недостатками известных композиций для защиты от запотевания и обледенения являются:

1. Потенциальная токсичность для человека. В связи с этим, невозможность применения в медицине. Токсичность может быть обусловлена как основным действующим веществом, так и растворителем.

2. Не обладают антисептическим действием.

3. Относительная дороговизна.

Известно средство «ULTRASTOP» фирмы SIGMAFARM, предназначенное для предотвращения запотевания оптики эндоскопов. Состав средства держится фирмой-изготовителем в секрете. Единственным известным компонентом средства является этанол. Описываемое средство разрешено для применения в медицинской практике для обработки поверхностей медицинских приборов и инструментария. Область применения известного средства ограничена, т.к. оно не предохраняет поверхность от обледенения.

Прототипом к предлагаемому изобретению явилось средство от запотевания и обледенения для применения в быту и автокосметике [8]. Рассматриваемая смесь содержит, мас.%: в качестве органического растворителя - изопропиловый спирт или растворитель РЭ-1 40,0-80,0; поверхностно-активное вещество - алкилсульфонат натрия 0,02-0,1; глицерин 1,0-4,0; краситель 0,0005-0,001; отдушка 0,05-0,4 и вода - остальное.

Недостатками известной смеси являются:

1. Потенциальная токсичность используемых растворителей при применении смеси в медицинской практике.

2. Наличие красителя и отдушки нежелательно при использовании смеси для обработки медицинских приборов и инструментария, особенно оптических деталей.

3. Алкилсульфонат натрия является малотоксичным веществом, но в тоже время является не самым безопасным представителем данного класса соединений и при длительной экспозиции на организм человека может вызывать определенные побочные эффекты (раздражение слизистых, зуд, шелушение кожи), поэтому учитывая необходимость применения смеси в медицине целесообразно использовать более безвредные представители данного класса соединений.

4. Не содержит антисептиков - при медицинском применении возможно инфицирование смеси и обрабатываемых ею приборов и инструментов.

Новая техническая задача: получить композицию с такими характеристиками, которые позволяют использовать ее в отношении медицинских приборов и инструментария при работе, в том числе, с низкими температурами. Композиция должна отличаться безопасностью для организма человека и безвредностью для медицинских приборов и инструментария.

Это достигается тем, что композиция для защиты от запотевания и обледенения, включающая поверхностно активное вещество и растворитель, в качестве поверхностно-активного вещества содержит алкилсульфаты, алкилсульфонаты или алкиларилсульфонаты, либо их смесь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ПАВ0,05-5растворительостальное

Также, в качестве растворителя композиция может содержать следующие компоненты, мас.%:

глицерин1-10

Также, в качестве растворителя композиция может содержать дистиллированную воду, либо смесь этанола с дистиллированной водой.

На практике было доказано, что причиной помутнения стекла или любой другой поверхности при ее запотевании является не конденсация влаги в принципе, а формирование микроскопических капелек, рассеивающих свет, за счет эффектов преломления и полного внутреннего отражения. Причиной формирования таких капелек являются гидрофильно-гидрофобные взаимодействия между полярной жидкостью (водой) и неполярной (гидрофобной) поверхностью (стеклом), в результате чего возникают силы поверхностного натяжения, и конденсированная вода стремится принять форму шара.

Основной принцип антизапотевательного и антиобледенительного эффекта поверхностно-активных веществ, относящихся к вышеобозначенным группам соединений, проиллюстрирован схемой на чертеже, где 1 - любая гидрофобная поверхность (стекло, пластик), 2 - капля воды, конденсированной на гидрофобной поверхности, 3 - силы поверхностного натяжения, придающие конденсированной воде форму, близкую к шаровидной, 4 - монослой поверхностно-активного вещества на гидрофобной поверхности, 5 - слой конденсированной воды, ориентированный благодаря полярным участкам молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ) в виде монослоя, 6 - схематичное строение диполя воды, видно, что молекула полярна, 7 - схематичное строение поверхностно-активного вещества, подчеркнута амфифильность молекулы, где 8 - полярная головка, 9 - неполярный хвост.

Исходя из данной гипотезы была разработаны способ предотвращения запотевания заключающийся в нанесении на поверхность амфифильного (поверхностно-активного) вещества, молекулы которого самопроизвольно ориентируются неполярными хвостами по направлению к гидрофобной поверхности, образуя монослой. Конденсирующаяся вода, благодаря полярным головкам молекул ПАВ ориентируется на поверхности монослоя ПАВ в виде равномерного слоя. Равномерный слой воды на поверхности не нарушает ее оптических свойств и является практически незаметным. Важной особенностью описываемого принципа является то, что вода конденсируется на поверхности амфифильного слоя, поэтому является открытой для испарения. Наличие слоя конденсированной воды доказано в следующем исследовании: при облучении поверхности, обработанной композицией против запотевания поляризованным светом под острым углом, наблюдается картина интерференции (кольца Ньютона) только после конденсации на ней воды, до конденсации и после высыхания воды картина интерференции (кольца Ньютона) исчезает.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, в качестве основного компонента были выбраны анионные поверхностно-активные вещества (ПАВ) из групп алкилсульфатов, алкилсульфонатов, алкиларилсульфонатов. Среди перечисленных групп поверхностно-активных веществ наиболее приемлемым для использования в медицине является натрия лаурилэтоксисульфат.

Основными требованиями к ПАВ являлись:

1. Поверхностно-активные свойства (высокий коэффициент мицеллообразования).

2. Низкая токсичность, разрешение к применению в медицине, косметологии, пищевой промышленности.

3. Экологическая безопасность.

4. Безвредность для стекла, полимерных материалов, металлов; химическая инертность.

5. Легкость в применении, дешевизна.

Выбор растворителя, был обусловлен следующими требованиями

1. Неполярность или амфифильность молекул (способность хорошо смачивать гидрофобные поверхности).

2. Способность растворять анионные поверхностно-активные вещества.

3. Отсутствие или низкая токсичность и экологическая безопасность.

4. Низкая температура замерзания, высокая скорость испарения.

5. Желателен антисептический эффект.

6. Желательно отсутствие электрической проницаемости.

7. Легкость в изготовлении, дешевизна.

Принимая во внимание все вышеперечисленные критерии, в качестве растворителя был выбран этанол. Этанол является хорошим растворителем для алкилсульфатов, алкилсульфонатов и алкиларилсульфонатов, сочетает хорошую способность смачивать гидрофобные поверхности и низкую токсичность (IV класс опасности). Не проводит электрический ток, обладает выраженным антисептическим эффектом, за счет неспецифической коагуляции белков. Кроме того, данное вещество используется повсеместно и дешево в изготовлении.

Количественный состав смеси был подобран экспериментально. В эксперименте, варианты композиции, содержащие разные соотношения основного вещества и растворителя последовательно наносили на одни и те же охлажденные до +10°С, 0°С и -20°С прозрачные стеклянные и пластиковые поверхности. Перед каждым нанесением смеси поверхности промывались большим количеством проточной воды, споласкивались дистиллированной водой, затем обрабатывались 96° этанолом и, после полного высыхания, охлаждались в рефрижераторе. Контроль температуры поверхности осуществляли с помощью бытового электронного термометра. Обработанную и охлажденную поверхность подвергали воздействию теплым воздухом высокой влажности (>90% относительной влажности). Эффективность смеси оценивали по изменению оптических свойств поверхности после обработки композицией и изменению их после воздействия воздуха высокой влажности. Критериями эффективности композиции являлись:

1. Отсутствие или незначительное изменение оптических свойств поверхности при обработке их смесью.

2. Отсутствие конденсации воды в виде отдельных мелких капель и кристаллов замерзшей воды на обработанной поверхности после воздействия на нее влажным воздухом.

3. Количество циклов «запотевание-высыхание», которое выдерживает обработанная поверхность. Эффективной считалась смесь, после обработки которой, поверхность выдерживала более 30 таких циклов.

4. Продолжительность эффекта композиции более 72 часов.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

В ходе эксперимента, в качестве основного действующего вещества предложено использовать соединения относящиеся к алкилсульфатам, алкилсульфонатам и алкиларилсульфонатам. Данные соединения являются малоопасными веществами (VI класс опасности). Ранее было отмечено, что компонентом выбора является натрия лаурилэтоксисульфат. Но в составе рассматриваемой композиции могут быть также применены натрия алкилсульфат, натрия алкилбензилсульфонат, натрия алкилметилауринат, натрия алкилсаркозинат, натрия альфа-олефинсульфонат, натрия алкилполиоксиэтиленсульфат, натрия алкилфенилполиоксиэтиленсульфат и некоторые другие аналоги, как в виде единственного компонента, так и в комбинации. Безопасность их применения в медицинской практике подтверждена возможностью их использования в составе жидкости для контактных линз [2]. Безопасность натрия лаурулэтокси сульфата и г атрия лаурилсульфата и аналогов подтверждена возможностью их использования в составе шампуней медицинского применения, разрешенных фармакопеей РФ [3] и в составе лекарственных форм для перорального применения [4, 5]. Предлагаемые соединения являются экологически безопасными и полностью разлагаются в условиях открытого воздуха в течение одного месяца.

Экспериментально проверено, что содержание основного действующего вещества в смеси в концентрации ниже 0,05 мас.% снижает ее эффективность (уменьшается количество возможных циклов «запотевание-высыхание»). Повышение концентрации действующего вещества в композиции до 5 мас.% и более, приводит к нарушению оптических свойств поверхности сразу после обработки смесью и не влияет на основной эффект композиции.

В качестве растворителя экспериментально были проверены этанол 96% и его смеси с дистиллированной водой в разных соотношениях. Как уже было сказано, этанол относится к малоопасным химическим веществам (IV класс опасности) [1], но его попадание на незащищенные слизистые может вызвать ожог, что следует учитывать при использовании композиции. Использование обработанного прибора или инструмента необходимо начинать только после полного испарения растворителя. Попадание этанола в организм человека перорально опасно только при превышении дозировки более 5-10 г/кг, что в условиях правильного использования композиции невозможно. Попадание этанола на незащищенные участки кожи не вызывает какого-либо повреждающего действия, кроме того оказывает антисептический эффект. Этанол практически полностью нейтрализуется при попадании в окружающую среду в течение от нескольких часов до нескольких суток, поэтому является экологически безопасным соединением.

В зависимости от конкретной задачи, в качестве растворителя может быть использована смесь этанола с дистиллированной водой в любых соотношениях, либо этанол может быть полностью заменен на дистиллированную воду. Данная ситуация возможна при наличии каких-либо конкретных противопоказаний к использованию этанола в составе смеси. В этом случае композиция теряет антисептические свойства, становится электропроводной, удлиняется время испарения растворителя. Антиобледенительный эффект также снижается. Однако исчезает риск ожога при попадании на незащищенные слизистые оболочки.

В качестве дополнительного ингредиента, для усиления антиобледенительных свойств, в композицию может быть добавлен глицерин в объеме от 1 мас.% до 10 мас.%. Глицерин представляет собой трехатомный спирт с низкой температурой замерзания и довольно высокой температурой кипения. В заявляемой композиции используются его свойства как антифриза - вещества, снижающего температуру замерзания воды. Нанесенный в составе рассматриваемой композиции на гидрофобную поверхность, глицерин распределяется в монослое поверхностно-активного вещества. При конденсации воды и формировании равномерного ее слоя на поверхности, глицерин переходит в водный слой, растворяясь в нем и препятствуя его замерзанию, поскольку предупреждение формирования микрокапель на поверхности (за счет монослоя ПАВ) не защищает от замерзания самого водного слоя. Может быть использована другая концентрация глицерина, от которой зависит минимальная температура, при которой поверхность защищена от обледенения. Экспериментально проверено, что при увеличении доли глицерина более 10 мас.%, увеличивается стойкость обработанной поверхности к замерзанию, но временно ухудшаются оптические свойства поверхности (на время использовании смеси), при снижении его доли менее 1 мас.%, ухудшения оптических свойств обработанной поверхности не наблюдается, но соответственно снижается стойкость к замерзанию. Глицерин является разрешенным веществом для применения в медицине и пищевой промышленности. Данных о его токсичности не обнаружено.

Преимущества заявляемой композиции перед аналогами заключается в:

1. Возможности использования в отношении медицинских приборов и инструментария.

2. Отсутствии нарушений оптических свойств поверхности.

3. Более высокая эффективность (поверхность, обработанная композицией, выдерживает до 100 циклов "запотевание-высыхание").

4. Легкость в применении, относительная дешевизна.

5. Обладает антисептическими свойствами.

6. Не опасно при случайном попадании внутрь электроприборов (основной состав).

Таблица 1
Протокол эксперимента по изучению антизапотевательных и антиобледенительных свойств предлагаемых композиций№Компоненты смесиСоотношение компонентовОптические свойства обработанной смесью поверхности^*Количество циклов «запотевание-высыхание», качество эффекта^**Нижний температурный предел защиты поверхности от обледенения^***, °С1234561Лаурилэтоксисульфат натрия Этиловый спирт0,02 мас.% остальноеНе нарушены10-20 Качество эффекта удовлетворительное, но участки обработанной поверхности запотевают0°С2Лаурилэтоксисульфат натрия Этиловый спирт0,05 мас.% остальноеНе нарушены80-100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С3Лаурилэтоксисульфат натрия Этиловый спирт0.5 мас% остальноеНе нарушены>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С4Лаурилэтоксисульфат натрия Этиловый спирт2 мас.% остальноеНе нарушены>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С5Лаурнлэтоксисульфат натрия Этиловый спирт5 мас.% остальноеНезначительное нарушение оптических свойств, но в целом удовлетворительно>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С6Лаурилэтоксисульфат натрияЭтиловый спирт6 мас.% остальноеНарушение оптических свойств(неравномерноепреломление света)>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С7Алкилбензнлсульфонат натрия Этиловый спирт0,02 мас.% остальноеНе нарушены10-20 Участки обработанной поверхности запотевают (качество неудовлетворительное)0°С8Алкилбензилсульфонат натрия Этиловый спирт0,5 мас.% остальноеНе нарушены>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С9Алкилбензилсульфонат натрия Этиловый спирт2 мас.% остальноеНе нарушены>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С10Алкилбензилсульфонат натрия Этиловый спирт6 мас.% остальноеНарушение оптических свойств(неравномерное преломление света)>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С11Алкилбензилсульфонат натрия Этиловый спирт0,5 мас.% остальноеНе нарушены>100 Хороший, равномерный антизапотевательный эффект-5°С

Источники информации

1. Классификация (категорирование) опасности химических веществ // Химическая и биологическая безопасность №3, 2002, справочная и другая информация.

2. Nakada; Kazuhiko (Kasugai, JP); Matano; Yutaka (Kasugai, JP) // Liquid for contact lenses; United States Patent №6,093,686; Appl. No.: 265544; March 9, 1999.

3. Инструкция по применению шампуня «Низорал», состав.

4. Закрытое акционерное общество "Фармацевтическое предприятие "Оболенское" / Лекарственная форма, обладающая бактеростатическим действием и способ ее изготовления // №2003136047 А, 2005.05.27.

5. Томас Бокк, Имя изобретателя Роберт Беккер, Ахим Зауер, Рене Рошер, Ульрих Pop, Зиглинде Молль, Карл Вебер, Аня Кольрауш / Лекарственная композиция, содержащая LТВ4-антагонист // №2004102399 А, 2005.05.27.

6. Рябин А.А., Гордин А.А. Композиция против запотевания // №2000120387 А, 2002.08.10.

7. Ибрагимов Ш.Н., Фатхутдинов Р.Х., Зарипов И.Н., Никитаев С.П., Композиция против запотевания и обледенения стекол // №2260028 С1, 2005.09.10.

8. Соколов И.Н., Шалыт А.Н. Антиобледенительная и противозапотевательная смесь // №2112006 С1, 1998.05.27.

9. Рябин А.А., Гордин А.А. Композиция против запотевания // №2204581 С2, 2003.05.20.

10. Гуль В.Е., Булатникова Л.И., Беляцкая О.Н., Терентьева М.В., Власов Е.Н., Ефанов А.А., Благова В.Н., Садикова В.М. Способ защиты стекол от запотевания и замерзания //№1088354 А1, 2005.08.10.

11. Опарина Н.Н., Елизарова Т.П., Филиппова О.В., Сергеев С.А., Железнов С.М. Компонент средства для предохранения стекол от запотевания // №94028858 А1, 1996.06.20.

Изобретение относится к композиции, включающей поверхностно активное вещество 0,05-5 мас.% и растворитель остальное. В качестве поверхностно-активного вещества композиция содержит лаурилэтоксисульфат, алкиларилсульфонаты натрия, а в качестве растворителя - этиловый спирт, либо дистиллированную воду, либо смесь этилового спирта с дистиллированной водой и дополнительно для усиления антиобледенительных свойств глицерин 1-10 мас.%. Технический результат - создание композиции, безопасной для применения в медицине для защиты от запотевания и обледенения оптических деталей и поверхностей медицинских приборов и инструментария с высокой эффективностью с продолжительностью эффекта более 72 часов, отсутствие нарушений оптических свойств обработанных поверхностей. 1 ил., 1 табл.

1. Композиция для защиты от запотевания и обледенения, включающая поверхностно-активное вещество (ПАВ) и растворитель, отличающаяся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества содержит лаурилэтоксисульфат, алкиларилсульфонаты натрия, а в качестве растворителя этиловый спирт, либо дистиллированную воду, либо смесь этилового спирта с дистиллированной водой, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ПАВ0,05-5Растворительостальное