Какими свойствами обладают поверхностно активные вещества

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 марта 2020;
проверки требуют 4 правки.

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Сопутствующие пове́рхностно-акти́вные вещества́ (со-ПАВ) — химические соединения, которые обладают свойством ПАВ, но предназначены для поддержания, усиления, активации и т. п. свойств основного ПАВ. Например, для повышения растворимости малорастворимых компонентов или поддержания пенообразующей способности.

Поверхностная активность[править | править код]

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность[1] — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования, или ККМ), с достижением которого при дальнейшем добавлении ПАВ в раствор его концентрация на границе раздела фаз остаётся постоянной, но при этом происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ при этом также приобретают голубоватый (студенистый) оттенок за счёт преломления света мицеллами (см. опалесценция).

Методы определения ККМ:

Метод поверхностного натяжения
Метод измерения краевого угла (угла смачивания) с твёрдой или жидкой поверхностью (contact angle)
Метод вращающейся капли (spindrop, spinning drop)

Строение ПАВ[править | править код]

Как правило, ПАВ — органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -SOOOH, -O- и т. п., или, чаще, их соли -ОNa, -СООNa, -SOOONa и т. п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент. ПАВ могут служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия и т. п.) и СМС (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т. п.

Классификация ПАВ[править | править код]

Ионогенные ПАВ
- Катионные ПАВ
- Анионные ПАВ
- Амфотерные ПАВ

Неионогенные ПАВ
- Алкилполиглюкозиды
- Алкилполиэтоксилаты

Производство ПАВ из высших жирных спиртов[править | править код]

Важнейшим сырьём в производстве современных поверхностно-активных веществ для синтетических моющих средств являются высшие жирные спирты, которые в зависимости от реагента дают неионогенные или анионные ПАВ, что иллюстрирует приведённая ниже схема[2]:[стр. 5].

Мировой объём использования высших жирных спиртов в производстве ПАВ в 2000 году составил 1,68 млн тонн[2]:[стр. 6]. В 2003 году около 2,5 млн тонн ПАВ было произведено на основе высших жирных спиртов[3].

Применение высших жирных спиртов для производства поверхностно-активных веществ[править | править код]

Также в производстве ПАВ используются и некоторые другие спирты: глицерин (сложные эфиры с жирными кислотами — эмульгаторы), сорбитол (сорбитаны), моноэтаноламин и диэтаноламин (алканоламиды).

Влияние ПАВ на компоненты окружающей среды[править | править код]

ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде, и те, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде — понижение поверхностного натяжения. Например в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO2 и кислорода в массе воды. Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы. Однако при адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли/песка степень/скорость их деградации снижаются многократно. Так как почти все ПАВ, используемые в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

Области применения[править | править код]

Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств (в том числе, применяемых для дезактивации), мыла, для ухода за помещениями, посудой, одеждой, вещами, автомобилями и пр. В 2007 году в России было произведено более 1 млн тонн синтетических моющих средств, главным образом — стиральных порошков. В настоящее время самым распространенным ПАВ в синтетических моющих средствах является алкилбензосульфонат. К группе анионных ПАВ также принадлежат алкансульфонат (SAS), алкилсульфат (FAS) и летучий алкилсульфат (FAES). FAS может быть получен из растительного сырья, например, рапсового масла или масла кокоса. В катионных ПАВ гидрофильная группа представлена положительно заряженной азотосодержащей группой. В качестве отрицательно заряженного противовеса выступает ион хлора или метилсульфат. Эти ПАВ особенно активно используются в синтетических средствах для «щадящей» стирки, так как играют роль смазки. Неионогенные ПАВ не создают ионы в водных растворах и, следовательно, обладают важными преимуществами: они абсолютно невосприимчивы к жесткости воды, демонстрируют высокую эффективность даже при низких концентрациях и низких температурах стирки, не образуют много пены и препятствуют потемнению белья. Сапонин, полученный из мыльнянки или стиральных орешков (Waschnussen), принадлежит к неионогенным ПАВ. Другим примером неионогенного ПАВ является сахарный алкилполиглюкозид (APG), добываемый из возобновляемого сырья: кукурузы, сахарного тростника и кокосового ореха. APG является биологически разлагаемым и имеет отличную совместимость с кожей. Именно эти ПАВ используются в натуральных стиральных порошках
Наука. ПАВ широко применяются в исследованиях, например, в биологии для разрушения клеточных мембран в целях выделения компонентов клеток (белки, хроматин, РНК) для непосредственного их анализа (вестерн-блот, количественная ПЦР) или использования в других экспериментах (иммунопреципитация белковых комплексов (Co-IP, хроматина (ChIP)[en], РНК (RIP) и пр.).
Косметика. Основное использование ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах.
Текстильная промышленность. ПАВ используются в основном для снятия статического электричества с волокон синтетической ткани.
Кожевенная промышленность. Защита кожаных изделий от лёгких повреждений и слипания.
Лакокрасочная промышленность. ПАВ используются для снижения поверхностного натяжения, что обеспечивает лёгкое проникновение красочного материала в маленькие углубления на обрабатываемой поверхности и их заполнение с вытеснением при этом оттуда другого вещества (например, воды).
Бумажная промышленность. ПАВ используются для отделения чернил от целлюлозы при переработке макулатуры. Молекулы ПАВ, адсорбируясь на пигменте чернил, делает его гидрофобным. Далее воздух пропускается через раствор пигмента и целлюлозы. Пузырьки воздуха адсорбируются на гидрофобной части ПАВ и частички пигмента всплывают на поверхность (см. флотация).
Металлургия. Эмульсии ПАВ используются для смазки прокатных станов и снижения трения. Выдерживают высокие температуры, при которых сгорает масло.
Защита растений. ПАВ широко используются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий пестицидов. Используются также для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки их клеток (см. внекорневая подкормка).
Пищевая промышленность. ПАВ в виде эмульгаторов (например, лецитина[источник не указан 2989 дней]) добавляют для улучшения качества мороженого, шоколада, взбитых сливок, соусов, печенья и других блюд.
Нефтедобыча. ПАВ применяются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью увеличения нефтеотдачи.
Строительство. ПАВ[источник не указан 2989 дней], называемые пластификаторами, добавляют к цементно-песчаным смесям и бетонам для уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Это увеличивает конечную прочность (марку) затвердевшего материала, его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость.
Медицина. Катионные и анионные ПАВ применяют в хирургии в качестве антисептиков. Например, четвертичные аммониевые основания приблизительно в 300 раз эффективнее фенола по губительному действию в отношении микроорганизмов. Антимикробное действие ПАВ связывают с их влиянием на проницаемость клеточных мембран, а также ингибирующим действием на ферментативные системы микроорганизмов. Неионогенные ПАВ практически не обладают противомикробным действием.
Теплоэнергетика. ПАВ применяются для обработки функциональных поверхностей систем теплоснабжения, а также рабочих поверхностей теплообменного оборудования с целью повышения гидрофобности и увеличения краевого угла смачиваемости, что приводит к ряду положительных эффектов, таких как: многократное снижение скорости протекания коррозионных процессов; уменьшение гидравлического сопротивления; удаление накопившихся отложений с поверхностей оборудования и трубопроводов и предотвращение образования новых отложений.[6]

Объём производства[править | править код]

В 2008 году годовой объём производства ПАВ составил 13 миллионов тонн[7]. В 2012 году объём рынка ПАВ составлял 26,8 миллиарда долларов, к 2016 году ожидается рост до 31 миллиарда, а к 2020 — до 36 миллиардов[8].

Сопутствующие ПАВ[править | править код]

Со-ПАВ не применяются без основного ПАВ. Могут иметь такие дополнительные функции, как солюбилизирующее действие, снижение статического электрического заряда (волос, ткани), стабилизирующее действие на гелеобразующие компоненты, усиление или, наоборот, подавление пенообразования, стабилизация пены и т. д. Пример со-ПАВ: каприлглюкозид.

Комментарии[править | править код]

↑ Приведена схема для этиленоксида, как наиболее распространённого реагента для синтеза алкоксилатов.
↑ Вместо оксида фосфора также используются полифосфорные кислоты, а в качестве исходных продуктов — этоксилаты спиртов.
↑ Обычно используют не сами сульфоновые кислоты, а аммониевые или натриевые соли, например: лаурилсульфат натрия.

Библиография[править | править код]

Абрамзон А. А., Гаевой Г. М. (ред.) Поверхностно-активные вещества. — Л.: Химия, 1979. — 376 с.
Плетнев М. Ю. (ред.) Поверхностно-активные вещества и композиции. Справочник. — М.: ИД «Косметика и медицина», 2002. — 752 с.
Паршикова Т. В. Поверхностно-активные вещества как фактор регуляции развития водорослей. — Киев: Фитосоциоцентр, 2004. — 276 с. (на укр. яз.) ISBN 966-306-083-8 (ошибоч.).
Остроумов С. А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. — М.: МАКС-Пресс, 2001. — 334 с. ISBN 5-317-00323-7.
Ставская С. С., Удод В. М., Таранова Л. А., Кривец И. А. Микробиологическая очистка воды от поверхностно-активных веществ. — Киев: Наук. думка, 1988. — 184 с. ISBN 5-12-000245-5.
Пищевые эмульгаторы и их применение: [пер с англ. В. Д. Широкова] / Под ред. Дж. Хазенхюттля, Р. Гартела. — СПб.: Профессия, 2008. — 288 с.

См. также[править | править код]

Мыло
Сурфактант
Амфотерный сурфактант
Диспергаторы кальциевых мыл
Неонол
Синтанол
Сульфонол
Катапин
Кокамидопропилбетаин

Примечания[править | править код]

↑ Не следует путать с Поверхностной (радио)активностью.
↑ 1 2 3 4 5 6 Chemistry and Technology of Surfactants / Edited by Richard J. Farn. — Blackwell Publishing Ltd, 2006. — 315 p. — ISBN 978-14051-2696-0.
↑ Dierker M., Schäfer H. J. Surfactants from oleic, erucic and petroselinic acid: Synthesis and properties (англ.) // European Journal of Lipid Science and Technology. — 2010. — Vol. 112, no. 1. — P. 122.
↑ 1 2 3 4 5 6 Ланге К. Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение = Surfactants. A Practical Handbook / Пер. с англ. — СПб.: «Профессия», 2004. — 240 с. — ISBN 5-93913-068-2.
↑ 1 2 Плетнев М. Ю. Косметико-гигиенические моющие средства // . — «Химия». — М., 1990. — С. 17—20. — ISBN 5-7245-0275-5.
↑ [www.src-w.ru Научный центр «Износостойкость» НИУ «МЭИ»].
↑ Kosaric,Naim; Sukan,Fazilet Vardar. Biosurfactants: Production and Utilization—Processes, Technologies, and Economics (англ.). — CRC Press, 2014. — P. 153. — ISBN 9781466596702.
↑ Global Surfactant Market — Acmite Market Intelligence. Дата обращения 2 декабря 2015.

Источник

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества в смесях, именуемые добавками.

На стадиях технологического производства они:

— облегчают выполнение операций;

— снижают количество затрачиваемой энергии;

— уменьшают расход дорогостоящих компонентов;

— снижают материалоемкость;

— способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала;

— благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания.

На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее ИСК призваны:

— упрочнить, стабилизировать структуру материала;

— максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

Основное функциональное назначение добавок, и этим они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смесей в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количестве добавки могут частично остаться в смеси и в сформированном материале без каких- либо изменений, что не является желательным.

Поверхностно-активнымивеществами (ПАВ) называют такие химические соединения, которые адсорбируются на поверхностях раздела жидкостей и твердых тел и влияют на их физико-химические или химические свойства. ПАВ являются, как правило, соединениями, молекулы которых состоят из двух главных частей – радикала и функциональной группы.

Радикал – представляет собой группу атомов, которая при ряде химических превращений неизменна и переходит из молекулы одного соединения в молекулу другого.

Радикалы образуются, например, при отщеплении в молекулах углеводородов органических соединений атомов водорода. Так, если в любом предельном (насыщенном) соединении, относящемся к классу парафинов типа CnH2n+2, отщепляется атом водорода, то оставшаяся группа атомов CnH2n+1 является алифатическим (жирным) радикалом

Н Н Н

| | |

Н – С – С – …– С –, который обозначается буквой R.

| | |

Н Н Н

1 2 n

Место отщепленного водорода в молекуле может занять другой атом или группа атомов, обладающих определенными свойствами, связанных со стационарным смещением электронов на атомных орбитах, что обуславливает наличие определенного электрического диполя и дипольного момента всей молекулы. Такие атомы или группы атомов называются функциональными группами.

Наиболее часто встречающиеся в составе ПАВ функциональные группы:

— гидроксильная: ( – ОН);

— карбоксильная: ( – СООН);

— аминная (амино–группа): ( – NН2);

— нитрогруппа: ( – NО2);

— сульфатогруппа: ( – SО3H).

По количеству функциональных групп в молекуле ПАВ могут быть одно-, -двух- и многоосновными.

Соединения, в которых алифатический радикал содержит менее 10 атомов углерода, как правило, не обладают поверхностной активностью, т.е. способностью адсорбироваться и понижать поверхностное натяжение жидкостей или поверхностную энергию твердых тел. При содержании в радикале более 10 атомов углерода они обычно поверхностно–активны и называются высшими жирными ПАВ. От типа функциональной полярной группы и структуры радикала зависит растворимость ПАВ в различных растворителях и способность диссоциировать на ионы.

ПАВ, в которых функциональные группы несут положительный заряд, активны в кислой среде и неактивны в щелочной, тогда как ПАВ с отрицательно заряженными функциональными группами, наоборот, активны в щелочной и неактивны в кислой.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ

Принципиально все ПАВ разделяют на две большие группы: иногенные соединения, при растворении в воде диссоциирующие на ионы, и неиногенные, которые на ионы не диссоциируют.

В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ – анионами или катионами, ионогенные вещества подразделяются на анионактивные, катионактивные, амфолитные. Анионактивные ПАВ активны в щелочных растворах, катионактивные – в кислых, амфолитные – в тех и других.

Анионактивные вещества в щелочных растворах, образуя отрицательно заряженные поверхностно-активные ионы (анионы):

RCOONa ↔ RCOO– + Na+

Катионактивные вещества при диссоциации в кислых растворах образуют положительно заряженные поверхностно-активные ионы (катионы):

— RNH3Cl ↔ RNH3+ + Cl–

К анионактивным ПАВ относятся: карбоновые кислоты (RCOOH) и их соли (RCOOMe) и др.

К катионактивным ПАВ относятся амины, аммониевые основания:

RNH2 ; RNH3Cl.

Амфолитные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых имеет кислый, другая – основной характер, например карбоксильную и аминную группу.

В зависимости от среды амфолитные соединения обладают анионными, либо катионными свойствами:

— щелочная среда кислая среда;

— RNH(СH2)nCOO– ↔ RNH(СH2)nCOOH↔RNH2(СH2)nCOOH;

— анионные свойства катионные свойства.

Неионогенные ПАВ, растворяясь в воде, не образуют ионов.

К группе неиогенных ПАВ относятся продукты оксиэтилирования жирных кислот, спиртов, аминов.

RCOO(C2H4O)n · H ; RCH2O(C2H4O)n · H ; RC6H5O(C2H4O)nOH .

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ ПО МЕХАНИЗМУ ДЕЙСТВИЯ

В зависимости от действия ПАВ в дисперсных системах они делятся на 4 группы:

К первой группе относятся низкомолекулярные, истинно растворимые в воде ПАВ, например спирты. Они являются слабыми смачивателями и пеногасителями.

Ко второй группе относятся ПАВ диспергаторы и эмульгаторы. Адсорбируясь, эффективно понижают свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела и тем самым облегчают процесс образования новых поверхностей и диспергирование. Эти вещества обладают и некоторыми стабилизирующими действиями.

В результате ориентированной адсорбции ПАВ второй группы гидрофобизируют твердые поверхности и, наоборот, гидрофилизируют гидрофобные поверхности. Особенно резко выражен эффект гидрофобизации этих ПАВ, усиливающийся химической связью – фиксацией полярных групп ПАВ на соответствующих участках твердой поверхности.

К ПАВ второго класса относятся жирные кислоты, их водорастворимые соли, катионактивные органические основания и соли.

В третью группу объединены ПАВ, являющиеся хорошими стабилизаторами. Поверхностная активность их сравнительно мала.

Эти ПАВ являются также хорошими адсорбционными пластификаторами – пластифицируют структуру, понижая их прочность и структурную вязкость. В цементных растворах и бетонах это позволяет переходить к жестким и вместе с тем однородным смесям, способствуют равномерности перемешивания, повышает плотность и долговечность (морозостойкость), приводит к повышению прочности и к снижению расхода цемента.

В качестве пластификаторов используют лигносульфонаты кальция (сульфитно-спиртовая барда – ССБ и сульфитно–дрожжевая бражка – СДБ) и т.п.

Четвертая группа ПАВ – это моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофобизирующим действием. Они также эффективные эмульгаторы и стабилизаторы эмульсий. В эту группу входят мыла жирных кислот и аминов.

В строительстве в основном используют поверхностно-активные вещества второй – четвертой групп.

ПАВ для цементобетонных смесей и цементобетона подразделяют на следующие виды:

1. Регулирующие свойства бетонных смесей

1.1. Пластифицирующие 1-4 группы (супер-, сильно-, средне- и слабопластифицирующие). Увеличивают подвижность бетонной смеси, замедляют схватывание бетонаи повышают прочность.

1.2. Стабилизирующие. Повышают однородность бетона, снижают проницаемость.

1.3. Водоудерживающие. Увеличивают подвижность смеси, снижают проницаемость и прочность бетона, повышают однородность бетона.

1.4. Улучшающие перекачиваемость. Повышают однородность, снижают водоотделение смеси и прочность бетона.

1.5. Замедляющие схватывание. Увеличивают время подвижности смеси, замедляют схватывание в 2 и более раза при +20°С. Увеличение прочности в дальние сроки твердения.

1.6. Ускоряющие схватывание. Ускоряют схватывание на 20% и более при 20°С. Ускорение твердения.

1.7. Поризующие – для легких бетонов.

1.8. Воздухововлекающие. Повышение удобоукладываемости и морозостойкости, снижение расслаиваемости.

1.9. Пенно- и газообразующие. Пенообразующие добавки обеспечивают получение технической пены. Газообразующие ПАВ способны выделять газ за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента.

2. Регулирующие твердение бетона

2.1. Ускоряющие твердение. Повышение прочности в возрасте 1 суток на 20% и более. Замедление набора прочности в более поздние сроки.

2.2 Замедляющие твердение. Снижение прочности бетона на 30% и более в возрасте до 7 суток.

3. Повышающие прочность и (или) коррозионную стойкость, морозостойкость бетона, снижение проницаемости бетона

3.1. Водоредуцирующие (1-4 группы). Снижение расхода воды (на 20-5%). Повышение морозостойкости и коррозионной стойкости.

3.2. Кольматирующие. Повышение марки бетона по водонепроницаемости и коррозионной стойкости.

3.3. Воздухововлекающие и газообразующие. Повышение морозостойкости в 2 и более раза, пластификация смеси.

3.4. Повышающие защитные свойства бетона по отношению к арматуре (ингибиторы коррозии стали). Увеличение подвижности смеси и снижение диффузионной проницаемости бетона.

4. Придающие бетону специальные свойства

4.1. Противоморозные (обеспечивающие твердение при отрицательных температурах).

4.2. Гидрофобизирующие (1-3 групп). Снижение водопоглощения в 1,5-5 раз и более, замедление схватывания.

Введение ПАВ в цементное тесто, растворную или бетонную смесь существенно изменяет их структуру и свойства как в пластичном, так и затвердевшем состоянии. Различные виды ПАВ, отмеченные выше, по-разному меняют свойства бетонной смеси или бетона за счет их адсорбирования на поверхности зерен клинкера и новообразований, а также поверхности каменных материалов.

Изменяется также микроструктура гидратированного цемента в результате развивающегося адсорбционного модифицирования. Поверхность образующихся в цементном тесте и камне кристаллов покрывается адсорбционной пассивирующей пленкой поверхностно–активных веществ, рост кристаллов замедляется и образуется более мелкая кристаллическая структура с изменением самой формы кристаллов.

Таким образом, применяя ПАВ, можно значительно расширить возможности производства асфальто- и цементобетонных смесей. В данном случае основное заключается в правильном выборе материалов и добавок, а также в их дозировании.

Источник