Классификация и характеристика поверхностно-активных веществ

Современные СМС представляют собой многокомпонентные смеси, главный компонент которых - поверхностно-активные вещества (ПАВ), понижающие поверхностное натяжение.

По отношению к водным растворам поверхностно-активными являются спирты, жирные кислоты и их соли, амины и другие вещества, имеющие дифильное строение, т.е. полярную (функциональные группы) и неполярную часть (углеводородный радикал). Также к ПАВ относят менее полярные, чем вода, соединения (дипольный момент воды равен 1,84 Д), так как они взаимодействуют с водой слабее, чем молекулы воды между собой [69].

Согласно принципу независимости поверхностного действия (И. Ленгмюр) при адсорбции полярная группа, взаимодействует с полярной фазой раствора (втягивается в воду), в то время как неполярный радикал выталкивается в неполярную фазу. Уменьшение поверхностной энергии ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу ПАВ - мономолекулярный слой [32].

Синтетические моющие вещества состоят из молекул, молекулярная масса которых достигает 3000. Длина углеводородной цепи составляет около 30л (3-109 м).

Подробная классификация поверхностно-активных веществ приведена в работе А. Шварца, Д. Пери, Д.Берч [110]. За основу данной классификации принято не их назначение, физические свойства или область применения, а различия в их химическом строении, то есть различия в природе гидрофильных и гидрофобных радикалов, а так же различия в характере промежуточных связей между ними.

Все ПАВ по характеру диссоциации принято разделять на две группы: ионообразующие и неионные. Ионообразующие поверхностноактивные вещества в свою очередь подразделяются на анионные, катионные и амфолитные [1]. В водных растворах анионных ПАВ поверхностно-активными свойствами обладает анион, в растворах катионных ПАВ - катион [62].

Наиболее широкое применение в СМС получили анионактивные ПАВ (аПАВ) - дифильные соединения, которые в водном растворе находятся в состоянии равновесия поверхностно-активных анионов и катионов металла (доноров электронов):

RCOONa~ RCOO" + Na+.

В качестве гидрофильной группы эти вещества могут содержать карбоксильную сульфатную, сульфонатную группы. Гидрофобная часть обычно представлена предельными и непредельными алифатическими и алкилароматическими цепями [114].

При производстве СМС используются алкилбензолсульфонаты, алкилсульфонаты, алкилсульфаты, соли карбоновых кислот, алкилфосфаты, молекулы которых содержат от 10 до 20 атомов углерода в алифатической цепи.

Если алифатическая цепь содержит в качестве заместителя бензольное кольцо, то минимальное число атомов углерода снижается до 8-14 [115].

Катионактивными ПАВ (кПАВ) называют такие дифильные соединения, которые в водном растворе находятся в состоянии равновесия поверхностно-активных катионов и соответствующих анионов [14].

Например, соли первичных аминов, диссоциирующие по схеме:

Г идрофильность кПАВ определяется наличием в молекуле положительно заряженного гетероатома и остатка кислоты. Гидрофобность - алифатической цепью, которая может включать в качестве заместителей углеводородные разветвленные или циклические структуры. Молекула обязательно содержит гетероатом - азот, серу и фосфор. К таким ПАВ относятся соли первичных, вторичных и третичных аминов и фосфинов, их применяют в качестве вспомогательных добавок и

18

антистатических средств, действие которых основано на адсорбции их на тканях и образовании пленок, включающих электропроводящие ионы [115]. Катионные ПАВ обладают крайне незначительным моющим действием и поэтому не являются компонентами моющих средств. Адсорбируясь на отрицательно заряженных участках загрязнений поверхности, они придают ей гидрофобность и препятствуют смачиванию поверхности [62].

Амфолитными ПАВ (АмПАВ) называют дифильные соединения, которые в щелочной среде ионизируются до поверхностно-активного аниона, а в кислой до поверхностно-активного катиона [115, 1]:

При определенном значении pH в смесях, в изоэлектрической точке амфолитные ПАВ проявляют свойства неионогенных соединений [14]. Амфолитные ПАВ содержат две и более полярные группы, которыми могут быть функциональные группы катион- и анионактивных ПАВ. Эффективно применение их для стирки изделий из синтетических и смешанных волокон, так как в этом случае устраняется пожелтение изделий, которое наблюдается вследствие старения волокон [66]. Применение амфолитных ПАВ в составе СМС ограничено их дефицитом, но эти ПАВ являются незаменимыми компонентами комплексного действия [115].

Неионогенными ПАВ называют такие дифильные соединения, которые в растворах не диссоциируют и, следовательно, не образуют ионов [111, 112]. Их дифильность обусловлена наличием функциональных групп, проявляющих лишь сольватирующую способность, но не склонных к диссоциации, например Твины, имеющие следующую структуру [1]:

Гидрофильными группами в этих соединениях являются этиле- ноксидная, 2-гидроксипропилендиокси группа, этаноламинная группа, диэтаноламинная и другие. Гидрофобными являются цепи, которые включают от 10 до 20 метиленовых групп. В производстве моющих и очищающих средств среди неионогенных ПАВ используются оксиэти- леновые производные алканолов и алкилфенолов с прямой или разветвлённой цепью и их производные, оксиэтилированные алкилфенолы, обладающие высокой моющей способностью, но токсичные. По объему производства и потребления неионогенные ПАВ стоят на втором месте после анионактивных. Они хорошо стабилизируют пены и оказывают благоприятное действие на ткани, меха и кожу. Используются в жидких или пастообразных моющих средствах, в гранулированные СМС вводятся в небольшом количестве (2.. .6 %) [46, 115].

С ростом длины углеводородного радикала поверхностная активность органических соединений увеличивается, что описывается правилом Траубе: прирост длины цепи в гомологическом ряду на одну СН2- группу ведет к увеличению поверхностной активности молекулы в 3"КЗ,5 раза [1].

Отмечено, что смеси ПАВ часто обладают свойствами, резко отличающимися от свойств составляющих их компонентов. Эффект синергизма может проявляться в изменении поверхностных свойств (удельная свободная энергия, адсорбция на различных границах) или в изменении объемных свойств (например, уменьшение критической концентрации мицелообразования). Особенности смешанных систем связаны с наличием специфических взаимодействий между молекулами ПАВ различных типов, которые могут приводить к усилению (синергизм) или ослаблению (антагонизм) действия смеси в отношении какого либо свойства системы.

Согласно принятой точке зрения [88] адсорбция и мицеллооб- разование у ионогенных ПАВ зависят от соотношения между силами Ван- дер-ваальсового притяжения и силами электростатического отталкивания, а у неионогенных ПАВ - от соотношения между силами притяжения углеводородных цепей и гидратацией, а также от площади поверхности оксиэтильных групп. Так, смеси содержащие одинаковую гидрофильную группу часто проявляют свойства близкие к идеальным [115,125].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >