Основные области применения ПАВ

⇐ ПредыдущаяСтр 110 из 115Следующая ⇒

1. Традиционные – до 85%:

синтетические моющие средства;

лаки, краски;

флотация руд (отделение ценных минералов от пустой породы);

черная и цветная металлургия (смазочные жидкости, защита металлов от коррозии);

текстильная промышленность;

пищевая промышленность (маргарин, майонез, хлебопекарная промышленность – пищевые ПАВ).

1. Новые – 14%:

добыча, транспортировка и переработка нефти (заводнение пластов, буровые жидкости, деэмульгаторы);

химические и биологические средства защиты (бактерицидные препараты);

экологические препараты (сбор нефти из водоемов);

новые моющие средства (шампуни, зубные пасты, бальзамы).

2. Приоритетные – 1%:

биотехнологические процессы;

мицеллярный катализ (в мицеллах скорость реакций возрастает в тысячи раз);

новые технологии электронных материалов (пленки Ленгмюра – Блоджетт);

аналитическая химия и др.

Более 50% всех прозводимых ПАВ приходится на долю АПАВ.

Коллоидные ПАВ являются основой синтетических моющих средств (СМС, детергентов), поскольку их водные растворы обладают моющим действием (в отличие от истинно-растворимых ПАВ) . Под моющим действием подразумевают совокупность коллоидно-химических процессов, которые приводят к удалению загрязнений с различных поверхностей и удерживанию этих загрязнений в растворе. Загрязнения представляют собой маслянистые продукты (животные и растительные жиры, нефтепродукты), а также твердые частицы минерального (например, почва, глина ) и органического происхождения ( например, белки). Рассмотрим основные стадии моющего процесса.

В основе моющего действия лежат следующие коллоидно- химические процессы: смачивание, адгезия, адсорбция, пептизация, солюбилизация, эмульгирование, суспендирование, пенообразование.

Первая стадия. Смачивание обрабатываемых изделий водой. Поскольку поверхностное натяжение воды достаточно велико, она плохо смачивает твердые и маслянистые поверхности. На этой стадии молекулы ПАВ адсорбируются на твердой поверхности изделия и маслянистых и твердых загрязнениях. Гидрофобные радикалы ПАВ обращены к гидрофобным поверхностям, а гидрофильные радикалы к воде. Поверхностное натяжение на границе раздела фаз снижается. При этом резко усиливается смачивание как загрязнений, так и поверхности изделия, поскольку гидрофобная поверхность изделия и загрязнений замещается на гидрофильную поверхность полярных частей ПАВ.

Вторая стадия. Отрыв частиц загрязнений от поверхности изделия. Для отрыва частиц необходимо преодолеть адгезию (прилипание) между загрязняющими частицами (масляными и твердыми) и поверхностью изделия. Это происходит за счет уменьшения поверхностного натяжения на границе «изделие – вода» и «загрязнение – вода». Для усиления моющего действия при стирке часто применяют механическое воздействие, которое способствует отрыву частиц от поверхности изделия. Твердые и масляные частицы переходят в раствор в виде стабилизированной эмульсии, суспензии.

Третья стадия. Удержание частиц загрязнений в растворе и предотвращение их возможного оседания на обрабатываемую поверхность.

Удержание частиц в растворе определяется целым комплексом коллоидных свойств растворов ПАВ. Прежде всего происходит диспергирование частиц на более мелкие. Комки твердых загрязнений переходят во взвешенное состояние. На поверхности частиц образуются адсорбционно-сольватные слои, которые препятствуют агрегации частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. происходит образование стабилизированной суспензии.

Капли масляных загрязнений образуют прямую эмульсию М/В, а адсорбционные слои ПАВ способствуют их удержанию в водной среде. Если масляные частицы малы, то проявляется солюбилизирующая способность мицелл ПАВ – способность растворять гидрофобные вещества внутри мицелл ПАВ.

Первая стадия

Вторая стадия

Третья стадия

Рис. 9.71. Стадии моющего процесса

Коллоидные ПАВ являются еще и пенообразователями. К пузырькам пены прилипают частицы загрязнений, которые удерживают их в растворе, затем происходит флотационное всплытие пузырьков.

На первой и второй стадиях моющего действия проявляются поверхностные свойства ПАВ, а на третьей стадии – объемные свойства.

В синтетические моющие средства, кроме ПАВ, добавляют другие компоненты, которые улучшают действия ПАВ. К моющим средствам относятся: мыла – натриевые или кальциевые соли высокомолекулярных жирных кислот. Их недостатком является плохое моющее действие в жесткой воде. Поэтому в настоящее время широко применяют синтетические ПАВ – алкилсульфаты, алкиларилбензолсульфонаты, неионные ПАВ, которые не взаимодействуют с солями кальция и магния.

В настоящее время применяют тысячи различных композиций моющих средств, рассчитанных на обработку разнообразных объектов при использовании воды любой жесткости (даже морской). Примером является использование алкиларилбензолсульфонатов (сульфонола) в составе порошка СФ-2У

Ассортимент ПАВ постоянно растет. В настоящее время для производства СМС стараются использовать ПАВ, обладающие хорошей биоразлагаемостью. Такими свойствами обладают ПАВ, не содержащие бензольного кольца в углеводородной цепи.

Применение ПАВ основано на следующих свойствах коллоидных ПАВ:

- высокая поверхностная активность. В соответствии с правилом Дюкло-Траубе увеличение длины углеводородного радикала на одну группу -CH₂- приводит к возрастанию поверхностной активности в 3, 2 раза (при 20⁰С) т.е. к уменьшению поверхностного натяжения в растворах ПАВ;

- способность к самопроизвольному мицеллообразованию, т.е. к образованию коллоидных частиц, содержащих от 20 до 100 и более молекул ПАВ.

- способность к солюбилизации - резкому увеличению растворимости веществ в растворах коллоидных ПАВ вследствие “внедрения” их внутрь мицеллы.

- высокая способность стабилизировать различные дисперсные системы: эмульсии, суспензии и пены, благодаря хорошей адсорбции на границе раздела фаз.

Благодаря своим уникальным свойствам ПАВ находят все новые и новые области применения. Их ассортимент постоянно растет.

Свойства растворов высокомолекулярных веществ (ВМВ)

Существует класс весьма важных веществ с очень большими молекулами, так называемые высокомолекулярные вещества или соединения (ВМВ, ВМС) или полимеры. К ним относятся белки, целлюлоза, каучук и многочисленные синтетические продукты: полиэтилен, полистирол, поливиниловый спирт, поливинилхлорид и другие. При растворении они дают молекулярные растворы, подобные обычным растворам низкомолекулярных веществ. Однако, из-за большой массы и крупных геометрических размеров молекулы полимеров в растворах во многом напоминают частицы дисперсной фазы, поэтому свойства растворов полимеров во многом похожи на свойства дисперсных систем.

Все сказанное приводит к необходимости хотя бы кратко рассмотреть в нашем курсе природу и свойства растворов полимеров, обратив главное внимание на те явления, которые ближе всего к коллоидным. Рассмотрение начнем с особенностей строения их молекул.

Строение молекул полимеров

Высокомолекулярными веществами (ВМВ) или полимерами называются соединения, молекулы которых состоят из большого числа атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи.

В зависимости от состава различают органические, неорганические и элементорганические полимеры. Самую большую группу составляют органические соединения этого класса. На их примере мы и рассмотрим основные закономерности строения ВМВ.

Простейшим органическим полимером является полиэтилен – продукт полимеризации этилена. Этилен – непредельный углеводород, легко вступающий в реакции присоединения. Две молекулы этилена, соединяясь, образуют молекулу бутилена.

СН₂ = СН₂ + СН₂ = СН₂ ® СН₃ - СН₂ - СН = СН₂

Исходное вещество – этилен – называется мономером, образующийся бутилен димером. При соединении трёх молекул этилена образуется тример, четырех – тетрамер и т.д. Если соединятся n молекул мономера, образуется полимер (от слова «поли» - много):

n СН₂ = СН₂® (СН₂ - СН₂)_n

Дадим некоторые определения.

Звеньями или мономерными звеньями называются многократно повторяющиеся группировки, которые являются остатками мономеров. Например, для полиэтилена мономерным звеном является группа – СН₂-СН₂ –.

Макромолекулой или полимерной цепью называется большая молекула, составленная из звеньев.

Степень полимеризацииn – число звеньев в цепи.

Молекулярная масса полимера М_пол равна произведению степени полимеризации n на молекулярную массу звена М_зв:

М_пол= n М_зв

Величина степени полимеризации может варьировать от нескольких единиц до 5-10 тысяч и более. Полимеры с высокой степенью полимеризации называются высокополимерами, а полимеры с низкой степенью полимеризации – олигомерами. Высокополимеры имеют очень большие значения молекулярных масс, порядка 10⁴– 10⁶. Отсюда они и получили свое название высокомолекулярные вещества. Молекулярная масса полимера не является строго определенной величиной. Обычно ВМВ представляет собой смесь, состоящую из молекул с разной степенью полимеризации (полимергомологов), поэтому можно говорить о средней молекулярной массе.

Остатки мономеров могут соединяться в макромолекуле друг с другом с образованием полимеров линейного, разветвленного или сетчатого (пространственного) строения.

Линейными называются полимеры, макромолекулы которых представляют собой длинные цепи с высокой степенью ассиметрии. Если остаток мономера обозначить буквой А, то формулу линейного полимера можно схематично записать следующим образом:

… – А – А – А – А – А – …

Разветвленный полимер представляет собой длинную цепь (называемую обычно главной или основной) с боковыми ответвлениями (боковые цепи), причем число этих ответвлений и их длина могут варьировать в очень широких пределах:

…– А – А – А – А – А – А – А – А – …

Сетчатыми или пространственными называются полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями: ½ ½

– А – А – А – А – А – А – А – А – А –

½ ½

– А – А – А – А – А – А – А – А – А – А – А –

½ ½

- А – А – А – А – А – А – А – А –

Главная особенность строения полимерного соединения – это наличие длинноцепочечных молекул. Для такого соединения характерны два типа связей – химические и межмолекулярные, резко отличающиеся по энергии и длине. В самой цепи атомы соединяются между собой прочными химическими связями (их длина порядка 1 – 1, 5 А°). Между цепями действуют значительно более слабые межмолекулярные силы (на расстояниях порядка 3–4 А°). В сетчатых полимерах между цепями имеются и химические связи.

Линейные молекулы полимера часто обладают хорошей гибкостью. В некоторых случаях наблюдается свертывание полимерной цепи в глобулу, имеющую сферическую форму (например, молекулы гемоглобина).

Различают синтетические и природные полимеры. К первым относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливиниловый спирт, поливинилхлорид и т.д.

Большую группу составляют природные полимеры. К ним относятся полисахариды (крахмал, целлюлоза). Их молекулы построены из остатков моносахаридов – глюкозы, маннозы и др.

Продуктами природного происхождения являются высокомолекулярные углеводороды – каучук и гуттаперча.

Исключительно важную группу природных биополимеров составляют белки, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями – СО – NН –. Другая важнейшая группа полимеров - нуклеиновые кислоты, в состав которых входят остатки фосфорной кислоты, пентозановых сахаридов и пуриновых или пиримидиновых оснований.

⇐ Предыдущая 105 106 107 108 109110111 112 113 114 Следующая ⇒