Способността на повърхностноактивните вещества, когато се адсорбират върху фазов интерфейс, радикално да променят своите свойства и по този начин да повлияят на много важни свойства на дисперсните системи се използва широко в различни области на технологията и множество технологични процеси. В този случай влиянието на повърхностноактивните вещества може да бъде значително различно в зависимост от химическата природа и структурата на съседните фази и молекулите на повърхностноактивните вещества, както и от условията на тяхното използване. Следвайки Rehbinder (10J), четири групи повърхностноактивни вещества могат да бъдат разграничени според физикохимичния механизъм на тяхното действие върху фазовата повърхност и дисперсната система като цяло. Нека дадем кратко предварително описание на тези основни групи.
I. Вещества, които са повърхностно активни вещества само (или предимно) на границата вода-въздух. Те включват средни и висши хомолози на алифатни алкохоли и киселини, както и по-сложни природни вещества. Повърхностноактивните вещества, принадлежащи към тази група, са умерено активни омокрящи агенти - чрез намаляване на повърхностното напрежение на водата на границата с въздуха (виж III.2); те могат да се използват и като пенообразуватели, особено за образуване на нискостабилни пени (при флотация). Някои силно повърхностно активни вещества от тази група (октилови, изоамилови алкохоли и др.) се използват и като пеногасители (виж глава VIII.2).
II. Вещества от различно естество, повърхностноактивни вещества на различни граници между кондензирани фази (твърдо - течно, течно - течно). Повърхностно активните вещества от тази група при условия на силно намаляване Ана междуфазната граница те допринасят за развитието на нови фазови интерфейси в процесите на разрушаване, диспергиране и обработка на твърди вещества (виж Глава VI, IX) и емулгиране на течности. Такива повърхностноактивни вещества могат да бъдат групирани въз основа на тяхното действие под общото наименование диспергатори. Веществата, принадлежащи към тази група повърхностноактивни вещества, също позволяват да се контролира селективното омокряне (виж глава III.2).
И двете групи се характеризират с липсата на способността на молекулите на повърхностно активното вещество да образуват пространствени гелообразни структури както в по-голямата част от фазите, така и на тяхната повърхност.
III. Повърхностноактивни вещества, които имат способността да образуват гелообразни структури, т.е. до известна степен подобни на твърдо вещество (виж глава VII.5) в адсорбционни слоеве и обеми
на фази Освен това, в някои случаи повърхностноактивните вещества, свързани тук, може да нямат висока повърхностна активност. Повечето повърхностно активни вещества, принадлежащи към тази група, са високомолекулни, естествени или синтетични вещества с предимно сложна структура, с голям брой полярни групи (протеини, глюкозиди, целулозни производни, поливинил алкохол и др.). Такива вещества се използват като високоефективни стабилизатори на умерено концентрирани дисперсни системи от различно естество: пени, емулсии, суспензии. Повърхностно активните вещества от тази група могат да действат като пластификатори за силно концентрирани дисперсии (пасти). Механизмът на действие на тези вещества е разгледан в гл. VII-IX.
IV. Повърхностноактивни вещества, които имат почистващ ефект. Те комбинират функциите на всичките три предишни групи повърхностноактивни вещества и освен това са способни на спонтанно образуване в обема на течната фаза на термодинамично стабилни колоидни частици (образуване на мицели в разтвори на повърхностноактивни вещества, вижте глава VI) и включване на отмиващи се замърсители в сърцевината на мицелите (разтваряне, вижте там). Това включва различни анионни, катионни и нейонни повърхностноактивни вещества от споменатите по-нататък в този параграф.
Въз основа на тяхната химическа структура повърхностноактивните вещества могат да бъдат разделени на два големи класа. Това са, от една страна, органични повърхностноактивни вещества с амфифилни молекули, универсално повърхностноактивни вещества на повечето междуфазови граници (естествено, под температурата им на разлагане), но обикновено осигуряващи само относително малко намаление на А(с 30-40 mJ/m2). От друга страна, това са голямо разнообразие от, предимно неорганични, вещества, които проявяват селективна, но често много висока повърхностна активност по отношение на даден специфичен интерфейс, способни да причинят много рязко намаляване на a (нискотопими метали по отношение на към някои по-огнеупорни метали, вода във връзка с редица соли и др.).
Специално място заемат органосилициевите и други органоелементни повърхностно активни вещества, които имат повишена топлоустойчивост и други свойства, които им позволяват да се използват в екстремни условия (високи температури и налягания, агресивни среди). Важно място в съвременния асортимент от повърхностноактивни вещества започват да заемат съединения с флуорирани (включително перфлуорирани) радикали, способни на по-силно намаляване на o от конвенционалните повърхностноактивни вещества с въглеводородни хидрофобни радикали.
Разбира се, към класификацията на ПАВ може да се подходи от различни гледни точки, като даденото разделение според механизма им на действие на четири групи не е изчерпателно (могат да се припокриват помежду си и да се появяват заедно). Имайте предвид, че това разделение е формулирано по принцип за конвенционалните органични повърхностноактивни вещества; в същото време може да се разшири до известна степен и за други вещества, особено за представители на група II - дисперсанти (виж глава IX.4).
Описание на свойствата и приложенията на повърхностноактивните вещества в различни области на промишлеността, селското стопанство, медицината и др., Данните за суровините, синтеза и производството на повърхностноактивни вещества могат да бъдат намерени в наличната референтна и монографична литература *.
Основните класове синтетични органични повърхностноактивни вещества са следните: алкинбензенсулфонати, алкилсулфати, олефинови сулфонати, етоксилирани повърхностноактивни вещества, блок съполимери, кватернерни амониеви основи.
Основните характеристики, които определят мащаба на производството на определени повърхностноактивни вещества, в допълнение към техните физикохимични свойства, са тяхната цена, наличието на източници на суровини и екологичността, характеризираща се преди всичко с биоразградимост -време за намаляване на концентрацията на ПАВ с определен брой пъти. Проблемът за синтезирането на силно биоразградими PABs сега стана особено актуален. Това по-специално се дължи на факта, че, концентрирайки се в адсорбционни слоеве на повърхността на водните тела, повърхностноактивните вещества променят условията на живот на различни организми, например поради промени в процесите на обмен на кислород. Значителна опасност за околната среда е образуването на стабилна пяна по време на адсорбцията на повърхностноактивни вещества на повърхността на водата, в пречиствателни филтри и др. Беше отбелязано, че повърхностноактивните вещества с линейна въглеводородна верига имат най-висока скорост на биоразграждане, докато повърхностноактивните вещества с ароматни и разклонените алифатни радикали, особено с кватернерни въглеродни атоми, са слабо податливи на микроорганизми. Следователно използването на парафинови суровини за синтеза на повърхностноактивни вещества с линейна верига е важен екологичен аспект на производството и употребата на повърхностноактивни вещества.
Въз основа на тяхната химична природа органичните повърхностно активни вещества с амфифилна структура се разделят на анионни, катионни, амфолитични и нейонни. Доминиращата позиция сред повърхностноактивните вещества, произведени в света, се заема от най-евтините и сравнително универсални анионни повърхностноактивни вещества, които представляват най-малко 60% от световното производство; до 30% са нейонни повърхностноактивни вещества, ~ 10% са катионни и само част от процента са синтетични амфолитични повърхностноактивни вещества.
Анионните ПАВ са органични съединения, които при дисоциация във вода образуват анион с дълъг въглеводороден радикал - носител на повърхностна активност; Освен това катионът не е повърхностно активен на границата вода-въздух. Анионните повърхностноактивни вещества включват следните съединения.
Соли на карбоксилни киселини (сапуни) с обща формула RCOO - Me +, където R е органичният радикал Cg - C20; Me + - Na + (в твърди сапуни), K + (в течни сапуни) или NH 4. Такива повърхностноактивни вещества се отличават с доста проста технология на тяхното производство (следователно сравнително ниска цена) и, което е много важно, пълна биоразградимост. Сапуните с карбоксилна киселина имат добър почистващ ефект само в алкална среда; в кисела среда (поради образуването на слабо разтворими мастни киселини) и в твърда вода (поради образуването на неразтворими калциеви и магнезиеви соли), почистващата способност на тези повърхностно активни вещества е ниско.
Дълго време основните суровини за тяхното производство са били естествените мазнини - естери на глицерол и различни мастни киселини, чието осапунване обикновено се използва за получаване на сапуни с карбоксилна киселина. Необходимостта от огромно потребление на ценни хранителни суровини наложи развитието на производството на синтетични мастни киселини (СМК). FFA с нормална структура, съдържащи 10-20 въглеродни атома на молекула, се получават по няколко метода (виж по-долу) и се използват широко в производството на повърхностноактивни вещества.
Алкиларил сулфонати (най-често алкилбензен сулфонати) - соли на ароматни сулфонови киселини с обща формула RArSOJMe* са най-евтините и леснодостъпни синтетични повърхностноактивни вещества. Гримират се -70% всички произведени анионни повърхностно активни вещества (повече от 100 артикула). Наличието на силен киселинен анион в тяхната молекула осигурява дисоциация и съответно добър почистващ ефект на такива ПАВ както в алкална, така и в кисела среда, както и в твърда вода.
Обикновено алкилбензен сулфонатите се получават чрез алкилиране на бензен с хлороалкани или олефини, последвано от сулфониране и неутрализация. До 1964 г. основната алифатна суровина е така нареченият пропилей тетрамер - смес от изомерни Cu-Cu олефини, включително много съединения с разклонена верига. Натриев тетрапропиленбензенсулфонат, получен от тази суровина, произведен в Германия през Първата световна война, поради изключително слабата му биоразградимост (фиг.
Ориз. единадесет
/- натриев тетрапропиленбензенсулфонат; 2- линейни алкилбензенсулфонати; 3- линейни алкил сулфати
II-28, крива аз)в момента е забранен за употреба в повечето развити страни по света и производството му на практика е спряно.
В тази връзка се развива производството на алкилбензенсулфонати с линейна структура на алкилния радикал. Такива съединения се характеризират с по-бързо разлагане в биосферата (фиг. II-28, крива 2). В този случай суровината за алкилиране на бензен са нормални парафини, които се изолират по-специално от нискокипящи (керосин) фракции на масла.
Тази група повърхностно активни вещества включва също натриев пропил и бутил нафталин сулфонати (некали).
Алкилсулфатите са соли на естери на сярна киселина; обща формула ROSOjMe + (R обикновено Xiu - Xiu). Повърхностноактивните вещества от тази група са много обещаващи от гледна точка на околната среда (фиг. II-28, крива J), но са по-скъпи от алкиларил сулфонатите. Те могат да бъдат получени както от висши мастни алкохоли (HFA) чрез сулфоестерификация, последвана от неутрализация, така и от дълговерижни олефини чрез директно добавяне на сярна киселина при двойната връзка и последваща неутрализация.
Алкил сулфонати - RSOJMe * (R обикновено Cu - C 2 o) - обещаваща група повърхностно активни вещества, които имат добър почистващ ефект при различни условия на pH и в твърда вода, както и добра биоразградимост. Те се получават чрез сулфохлориране или сулфоксидиране на висши парафини с последваща неутрализация. Сред обещаващите анионни повърхностно активни вещества трябва да се споменат и олефин сулфонатите.
Анионните повърхностноактивни вещества също включват вещества, чиито молекули съдържат други видове анионни групи: фосфати - соли на частични естери на фосфорна киселина, различни соли на тиосулфонови киселини, ксантати, тиофосфати и др. Анионните повърхностноактивни вещества се използват като омокрящи агенти, основните компоненти на детергентите ( детергенти), пенообразуватели; те са основните мицелообразуващи (виж глава VI) повърхностно активни вещества с най-голям производствен обем и диапазон. Анионните повърхностно активни вещества проявяват своите свойства най-активно в алкална среда, въпреки че могат да се използват и в кисела среда, например при обработка на метали с киселини за отстраняване на оксидни филми.
Катионните повърхностно активни вещества се дисоциират във вода, за да образуват развит органичен катион - носител на повърхностна активност. Те включват алифатни и ароматни амини (първични, вторични и третични) и техните соли, тетраамониеви основи, пиридинови производни и др.
Мастните амини могат да бъдат получени от алкилхалогениди чрез реакция с амоняк (или нисши амини), от мастни киселини или техни производни (амиди и амониеви соли), както и чрез амонолиза на мастни алкохоли. Амините се дисоциират и проявяват повърхностна активност главно в кисела среда. Висшите хомолози, например октадециламинът, са неразтворими във вода, но са разтворими в масло повърхностноактивни вещества.
Соли на кватернерни амониеви основи)