Какими свойствами и функциями обладают поверхностно-активные вещества?
Поверхностно-активные вещества имеют разнообразную химическую структуру. В связи с чем они обладают множеством свойств и выполняют большое количество различных функций. Поэтому эти вещества используются почти во всех отраслях промышленности. Одно поверхностно-активное вещество обычно имеет несколько свойств, которые влияют на его предполагаемое использование. Ключевым элементом при производстве поверхностно-активных веществ является правильный выбор сырья. Именно на этом этапе определяются параметры и физико-химические свойства производимых поверхностно-активных веществ и, следовательно, их последующее применение. Например, поверхностно-активные вещества с превосходными пенообразующими и смачивающими свойствами используются для производства моющих и чистящих средств, а в косметике используются поверхностно-активные вещества, которые являются хорошими эмульгаторами.
При растворении или диспергировании в жидкости поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхности раздела фаз, изменяя межфазное поверхностное натяжение. Эти соединения обладают также общим свойством, заключающимся в способности образовывать мицеллы. Поверхностно-активные вещества устойчивы к щелочам и жесткой воде.
Растворимость ПАВ в воде
Благодаря своей гидрофильно-гидрофобной структуре поверхностно-активные вещества растворяются во многих растворителях.
Растворимость ионных поверхностно-активных веществ обусловлена их способностью диссоциировать и образовывать ионы. Растворимость неионных поверхностно-активных веществ из группы полиоксиэтиленовых или полиоксипропиленовых соединений обусловлена образованием сети водородных связей между молекулами воды и эфирным кислородом.
Растворимость в полярных соединениях обусловлена наличием в молекуле гидрофильного фрагмента. Однако чем длиннее и менее разветвлена углеводородная цепь, тем ниже становится растворимость в воде.
Растворимость поверхностно-активных веществ в воде можно регулировать, изменяя их структуру. Повышение растворимости возможно путем введения в молекулу полиоксиэтиленовой группы или после превышения точки Краффта, то есть определенной температуры, выше которой происходит резкое увеличение растворимости в связи с образованием мицелл. Растворимость поверхностно-активного вещества в воде можно снизить, включив в его структуру молекулы оксида пропилена.
Растворимость поверхностно-активных веществ в воде также тесно связана со значением коэффициента гидрофильно-гидрофобного баланса (HLB).
Поверхностное натяжение ПАВ
Поверхностное натяжение — это силы, действующие на межфазной поверхности . Это постоянная и характерная величина для каждой жидкости, сильно зависящая от температуры и окружающей среды, с которой жидкость контактирует. Поверхностное натяжение является результатом дисбаланса сил, действующих на молекулы на поверхности жидкости и внутри нее.
Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности жидкой фазы, ориентируя свою полярную голову внутрь жидкости, а гидрофобный хвост — к воздуху. В результате такого расположения молекул поверхностное натяжение жидкости уменьшается. При добавлении большего количества ПАВ его молекулы беспорядочно диспергируются во всем объеме жидкости до тех пор, пока не будет превышена критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). Затем молекулы начинают организовываться в сферические формы, называемые мицеллами.
По мере увеличения концентрации ПАВ в растворе его поверхностное натяжение снижается до определенного уровня и остается постоянным независимо от дальнейшего увеличения концентрации вещества. Неионные поверхностно-активные вещества наиболее эффективно снижают поверхностное натяжение.
При использовании поверхностно-активных веществ очень важно знать критическую концентрацию мицеллообразования. Это связано с тем, что от нее зависит предельная концентрация используемого поверхностно-активного вещества, лучше всего подходящего для использования в продукте.
Методы измерения поверхностного натяжения включают, в частности, сталагмометрический метод, метод капиллярного подъема и метод максимального давления пузырька.
Пенообразующие свойства ПАВ
Пенообразующие свойства- это способность поверхностно-активных веществ образовывать пену. Их мерой является объем пены, образующейся из раствора, содержащего поверхностно-активное вещество, при определенных условиях. Это свойство поверхностно-активных веществ обусловлено способностью образовывать мицеллы и стабилизировать пузырьки воздуха.
В чистых жидкостях пенообразование отсутствует. Для образования пены в жидкость вводят воздух или другой газ с соответствующим поверхностно-активным веществом. После этого происходит упорядочение молекул поверхностно-активного вещества на межфазной поверхности жидкость-газ. В случае высокой концентрации ПАВ в растворе молекулы ПАВ располагаются перпендикулярно границе раздела жидкость-газ. Гидрофильные «головы» направлены к жидкости, а гидрофобные «хвосты» — к воздуху. Когда пузырьки газа выходят из жидкой фазы, молекулы поверхностно-активного вещества адсорбируются на поверхности газа, образуя пену.
Способность поверхностно-активных веществ образовывать пену зависит от нескольких факторов, таких как концентрация и химическая структура используемого поверхностно-активного вещества, значение pH раствора, присутствие других компонентов в растворе и жесткость воды. Наилучшими пенообразующими свойствами обладают молекулы ПАВ с длиной алкильной цепью 12-15 атомов и полиоксиэтиленовой цепью, содержащей от 10 до 12 оксиэтиленовых групп. В свою очередь, молекулы поверхностно-активного вещества с алкильной цепью менее 10 и более 16 атомов углерода имеют наихудшую способность к образованию пены.
Пенообразующей способностью каждого поверхностно-активного вещества можно управлять, изменяя его структуру. Введение полиоксипропиленовой части в молекулу поверхностно-активного вещества позволяет уменьшить ее пенообразование, а добавление оксида этилена увеличивает пенообразующую способность поверхностно-активного вещества.
Пенообразующая способность поверхностно-активных веществ играет важную роль во многих промышленных применениях, например, при флотации минералов, производстве моющих средств и в пищевой промышленности. В некоторых случаях вспенивание нежелательно и даже вредно. Это явление мешает в основном в процессах в текстильной промышленности, при промышленной стирке и мытье, а также в автоматических бытовых стиральных машинах. Чтобы избавиться от или уменьшить вспенивание поверхностно-активных веществ, можно использовать добавление противопенных составов (например, силиконовых препаратов или некоторых неионных поверхностно-активных веществ).
Поверхностно-активные вещества, относящиеся к противопенным составам, имеют значение коэффициента гидрофильно-гидрофобного баланса в пределах 1,5 — 3. При испытании пенообразующей способности поверхностно-активных веществ, помимо объема полученной пены, также оцениваются ее прочность и плотность.
Смачивающие свойства ПАВ
Смачиваемость — еще одна характерная особенность поверхностно-активных веществ. Благодаря способности молекул снижать поверхностное натяжение между жидкостью и твердым телом и удалять воздух с поверхности твердых тел, значительно увеличивается способность капель жидкости к растеканию по поверхности. Другими словами, смачиваемость — это способность молекул ПАВ и их растворов растекаться по поверхности, на которую они наносятся. Результатом этого явления является уменьшение энергетического барьерамежду раствором и смоченной поверхностью. Это явление приводит к увеличению контактной поверхности, что влияет на эффективность и скорость данного процесса (например, стирки).
При сравнении чистой жидкости с жидкостью с добавкой ПАВ хорошо видна разница в площади, занимаемой обеими каплями.
Благодаря смачивающим свойствам поверхностно-активных веществ можно быстро намочить ткань водой, что ускоряет процесс стирки. Эта функция также используется в агрохимии (например, смачивание поверхности листьев распыляемой жидкостью), в лакокрасочной промышленности, а также в строительстве.
Величина, которая описывает смачиваемость твердых тел жидкостью, — это угол контакта Θ, который представляет собой угол между смачиваемой поверхностью и смачивающей каплей. Если угол равен нулю, это означает, что данная поверхность полностью смачивается каплей жидкости. Угол между 0° < Θ < 90° характерен для частично смачивающих жидкостей, а угол между 90 ° <Θ <180 ° характерен для частично несмачивающих жидкостей. Полностью несмачивающие жидкости имеют угол контакта 180°.
Эмульгирование
Эмульгирование — это создание суспензии двух нерастворимых несмешивающихся веществ, по крайней мере одно из которых является жидкостью. В результате этого процесса образуется неоднородная дисперсная система, то есть так называемая эмульсия. Если оба компонента являются жидкостями, эмульсия представляет собой суспензию капель одной фазы в другой. Тогда одна из жидкостей является сплошной — внешней фазой, а другая — дисперсной — внутренней. Однако для того, чтобы такая система была стабильной, необходимо использовать поверхностно-активное вещество, которое будет окружать капли одной жидкости, отделяя их от другой фазы и предотвращая их объединение в более крупные агрегаты. Это происходит благодаря правильному упорядочению молекул поверхностно-активного соединения. Они располагаются гидрофильной головой к полярному растворителю, а гидрофобным хвостом к неполярной фазе. Таким образом, образуются масляные эмульсии в воде, где непрерывной фазой является полярная вода с диспергированной неполярной масляной фазой или аналогично – эмульсии в/м, то есть вода в масле
Эмульсией нельзя назвать смесь газов и твердых веществ в жидкости, суспензию частиц соединений серебра в жидкости (так называемая фотографическая эмульсия), смеси, используемые в двигателях внутреннего сгорания (так называемая топливно – воздушная эмульсия).
Сродство эмульгатора к масляной фазе и водной фазе определяется параметром HLB (коэффициент гидрофильно-гидрофобного баланса). Его значение определяет, какое поверхностно-активное вещество лучше стабилизирует эмульсии типа вода в масле или масло в воде. Эмульгаторы с HLB менее 10 обычно стабилизируют эмульсию вода в масле, в то время как эмульгаторы с HLB более 10 стабилизируют эмульсию масло в воде.
Во время процесса эмульгирования важным вопросом является стабильность получаемых эмульсий и легкость их образования. Эмульгаторы могут иметь ряд свойств и применений, которые полезны при выполнении их предполагаемой функции. Примеры требований к эмульгаторам: снижение поверхностного натяжения на границе газа, предотвращение явления инверсии, стабилизация эмульсии или отсутствие токсичности и запаха. Обычно отдельные эмульгаторы обладают лишь некоторыми из желаемых свойств, поэтому часто используется смесь эмульгаторов, подобранных соответствующим образом.
Возможность создавать эмульсии позволяет использовать поверхностно-активные вещества во многих отраслях промышленности. Благодаря этому явлению можно производить косметику, краски, клеи, лаки и пластмассы. Кроме того, поверхностно-активные вещества используются в качестве эмульгаторов в металлургической, пищевой, горнодобывающей, топливной, текстильной, химической, строительной и многих других отраслях промышленности.
Моющее действие
Моющее действие — это процесс удаления грязи. Оно происходит при участии молекул ПАВ, которые окружают частицы грязи, позиционируя себя по направлению к ним неполярными хвостами, то есть углеводородными цепями. Затем они отделяют загрязнение от основания и окружают его со всех сторон, создаваямицеллу. Приготовленная таким образом эмульсия позволяет легко избавиться от загрязнений.
Стоит отметить, что поверхностно-активные вещества проявляют синергетический эффектв сочетании с другими поверхностно-активными веществами. Синергизм — это явление, при котором эффект двух или более компонентов больше, чем сумма частичных эффектов каждого из них в отдельности.
