Пропеллент

Пропеллент — это газообразное или сжиженное вещество, находящееся под давлением в аэрозольном баллоне, которое служит для вытеснения содержимого (активного вещества) и, в ряде случаев, для его распыления. Пропелленты являются ключевым компонентом аэрозольных упаковок, обеспечивая подачу продукта в виде струи, пены, тумана или спрея. В зависимости от химической природы и физических свойств, пропелленты делятся на сжиженные и сжатые газы, а также на углеводородные, фторуглеродные и инертные типы.

История

Первые аэрозольные баллоны, использующие принцип вытеснения, появились в конце XIX века. В 1899 году норвежский инженер Эрик Ротхейм запатентовал конструкцию, напоминающую современный аэрозольный баллон, однако широкое распространение технология получила только в 1940-х годах. Во время Второй мировой войны американские военные использовали аэрозольные баллончики с инсектицидами, где в качестве пропеллента применялся дихлордифторметан (фреон-12) — один из хлорфторуглеродов (ХФУ).

В 1950–1960-е годы аэрозольные упаковки с ХФУ стали массово использоваться в быту: для дезодорантов, лаков для волос, красок и чистящих средств. Однако в 1970-х годах было обнаружено, что хлорфторуглероды разрушают озоновый слой Земли. В 1987 году был подписан Монреальский протокол, который ввёл поэтапный запрет на производство и использование ХФУ. Это привело к переходу на альтернативные пропелленты — в первую очередь, на углеводородные газы (пропан, бутан, изобутан) и сжатые газы (азот, углекислый газ, закись азота).

Классификация

Пропелленты классифицируются по нескольким признакам: агрегатному состоянию в баллоне, химическому составу и воздействию на окружающую среду.

По агрегатному состоянию

• Сжиженные газы. При комнатной температуре находятся в баллоне в жидкой фазе под давлением собственных паров. При нажатии на клапан часть жидкости испаряется, создавая давление, выталкивающее продукт. К ним относятся пропан, бутан, изобутан, а также диметиловый эфир (ДМЭ). Сжиженные газы обеспечивают стабильное давление в течение всего срока использования баллона.
• Сжатые газы. Находятся в баллоне в газообразном состоянии. Давление в баллоне создаётся за счёт сжатия газа. По мере расходования продукта давление падает, что может приводить к снижению интенсивности распыления. Типичные представители — азот (N₂), углекислый газ (CO₂), закись азота (N₂O) и сжатый воздух.

По химическому составу

• Углеводородные пропелленты. Наиболее распространённая группа в современной аэрозольной продукции. Включает пропан, н-бутан, изобутан и их смеси. Эти газы являются продуктами переработки нефти и природного газа. Они недороги, нетоксичны, но легковоспламеняемы.
• Фторуглеродные пропелленты. Включают гидрофторуглероды (ГФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ). ГФУ (например, 1,1,1,2-тетрафторэтан, известный как R-134a) не разрушают озоновый слой, но обладают высоким потенциалом глобального потепления (ПГП). ГХФУ (например, R-22) также не разрушают озоновый слой, но имеют меньший ПГП. Используются в медицинских аэрозолях (ингаляторах, спреях для местного применения) и в некоторых технических продуктах, где требуется высокая химическая инертность.
• Диметиловый эфир (ДМЭ). Относится к простым эфирам. Хорошо растворяется в воде и многих органических растворителях, что делает его эффективным пропеллентом для пенящихся продуктов (например, муссов для укладки волос, пен для бритья). ДМЭ легковоспламеняем и обладает слабым наркотическим действием при высоких концентрациях.
• Инертные газы. Азот, аргон, гелий. Химически инертны, негорючи, нетоксичны. Используются для вытеснения продуктов, чувствительных к окислению или воспламенению, а также в баллонах, где требуется минимальное взаимодействие с содержимым.

По воздействию на окружающую среду

• Озоноразрушающие вещества (ОРВ). Хлорфторуглероды (ХФУ, фреоны), галлоны. Запрещены или ограничены к производству и использованию в большинстве стран мира в соответствии с Монреальским протоколом.
• Вещества с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП). Гидрофторуглероды (ГФУ). Хотя они не разрушают озон, их выбросы в атмосферу способствуют парниковому эффекту. В рамках Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу предусмотрено поэтапное сокращение их использования.
• Экологически безопасные пропелленты. Углеводороды (пропан, бутан), диметиловый эфир, сжатые газы (азот, углекислый газ). Углеводороды и ДМЭ являются легковоспламеняемыми, но их вклад в разрушение озонового слоя и парниковый эффект минимален.

Применение

Пропелленты используются в широком спектре аэрозольных продуктов, которые можно разделить на несколько категорий:

• Бытовая химия и косметика. Дезодоранты, лаки для волос, муссы, пены для бритья, освежители воздуха, чистящие средства, полироли, краски в аэрозольной упаковке. В этих продуктах чаще всего применяются углеводородные пропелленты (пропан/бутан) и диметиловый эфир.
• Медицинские аэрозоли. Ингаляторы для лечения астмы и хронической обструктивной болезни лёгких (ХОБЛ), спреи для местного применения (антисептики, анестетики), дерматологические препараты. В медицинских целях используются фторуглеродные пропелленты (ГФУ) и сжатые газы, так как они негорючи и химически инертны.
• Пищевая промышленность. Взбитые сливки, кулинарные спреи (масла), антипригарные покрытия для форм. В пищевых аэрозолях применяются закись азота (N₂O) — для взбивания сливок, углекислый газ (CO₂) — для газированных напитков, и сжатый воздух.
• Технические аэрозоли. Смазки, очистители, контактные спреи, монтажные пены, инсектициды. В зависимости от требований к воспламеняемости и химической стойкости, используются как углеводородные, так и сжатые газы.
• Противопожарные средства. Огнетушители, содержащие сжатый газ (азот, углекислый газ) для вытеснения огнетушащего вещества (порошка, пены, углекислоты).

Безопасность и экология

Основные риски, связанные с пропеллентами, включают:

• Воспламеняемость. Углеводородные пропелленты и диметиловый эфир являются легковоспламеняющимися газами. Аэрозольные баллоны с такими пропеллентами должны храниться вдали от источников огня и нагрева. На упаковке обязательно указывается предупреждение о воспламеняемости.
• Токсичность. Большинство современных пропеллентов (углеводороды, азот, углекислый газ) малотоксичны при кратковременном вдыхании в низких концентрациях. Однако при вдыхании в больших количествах или в замкнутом пространстве они могут вызывать удушье (за счёт вытеснения кислорода) или наркотическое действие (ДМЭ, закись азота). Медицинские пропелленты (ГФУ) проходят строгие токсикологические испытания.
• Взрывоопасность. Аэрозольные баллоны являются сосудами под давлением. При нагреве выше 50–60 °C давление внутри баллона может превысить критическое значение, что приведёт к разрыву корпуса и взрыву. Поэтому баллоны запрещается нагревать, бросать в огонь или вскрывать.
• Экологическое воздействие. Как уже отмечалось, хлорфторуглероды (ХФУ) разрушают озоновый слой, а гидрофторуглероды (ГФУ) способствуют парниковому эффекту. В России и других странах действуют законодательные ограничения на использование этих веществ. Углеводородные пропелленты, хотя и не являются озоноразрушающими, при попадании в атмосферу участвуют в образовании фотохимического смога.

Законодательство в России

В Российской Федерации оборот аэрозольных продуктов и пропеллентов регулируется рядом нормативных актов. В частности, Технический регламент Таможенного союза «О безопасности парфюмерно-косметической продукции» (ТР ТС 009/2011) устанавливает требования к составу и маркировке аэрозольных косметических средств. Производство и использование озоноразрушающих веществ (ХФУ) регулируется Федеральным законом «Об охране окружающей среды» и постановлениями Правительства РФ, которые запрещают или ограничивают их выпуск и импорт. Маркировка аэрозольных баллонов должна содержать предупреждения об опасности (воспламеняемость, взрывоопасность, токсичность) в соответствии с Техническим регламентом «О безопасности упаковки» (ТР ТС 005/2011).

Источники

1. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности парфюмерно-косметической продукции» (ТР ТС 009/2011).
2. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности упаковки» (ТР ТС 005/2011).
3. Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (1987).
4. Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу (2016).
5. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7-ФЗ.
6. «Aerosol Propellants: A Review of Current and Future Options» — Journal of Aerosol Science, 2020.
7. «Handbook of Aerosol Technology» — под редакцией П. Сандерса, 1979.