Evnen til overflateaktive stoffer, når de adsorberes på et fasegrensesnitt, til å radikalt endre dens egenskaper og derved påvirke mange viktige egenskaper til dispergeringssystemer er mye brukt i en rekke teknologifelt og mange teknologiske prosesser. I dette tilfellet kan påvirkningen av overflateaktive stoffer være betydelig forskjellig avhengig av den kjemiske naturen og strukturen til de tilstøtende fasene og overflateaktive molekylene, og på betingelsene for deres bruk. Etter Rehbinder (10J), kan fire grupper av overflateaktive stoffer skilles ut i henhold til den fysisk-kjemiske mekanismen for deres virkning på fasegrensesnittet og det dispergerte systemet som helhet. La oss gi en kort foreløpig beskrivelse av disse hovedgruppene.
I. Stoffer som bare (eller hovedsakelig) er overflateaktive stoffer ved grensesnittet mellom vann og luft. Disse inkluderer middels og høyere homologer av alifatiske alkoholer og syrer, samt mer komplekse naturlige stoffer. Overflateaktive stoffer som tilhører denne gruppen er moderat aktive fuktemidler - ved å redusere overflatespenningen til vann ved grensesnittet med luft (se III.2); de kan også brukes som skummende midler, spesielt for dannelse av lavstabile skum (ved flotasjon). Noen sterkt overflateaktive stoffer av denne gruppen (oktyl, isoamylalkoholer, etc.) brukes også som skumdemper (se kapittel VIII.2).
II. Stoffer av forskjellig art, overflateaktive stoffer ved forskjellige grensesnitt mellom kondenserte faser (fast - flytende, flytende - flytende). Overflateaktive stoffer av denne gruppen under forhold med sterk reduksjon EN ved interfasegrensen bidrar de til utviklingen av nye fasegrensesnitt i prosessene med destruksjon, dispersjon og prosessering av faste stoffer (se kapittel VI, IX) og emulgering av væsker. Slike overflateaktive midler kan grupperes basert på deres virkning under den generelle betegnelsen dispergeringsmidler. Stoffer som tilhører denne gruppen overflateaktive stoffer gjør det også mulig å kontrollere selektiv fukting (se kapittel III.2).
Begge disse gruppene er preget av fraværet av evnen til overflateaktive molekyler til å danne romlige gellignende strukturer både i hoveddelen av fasene og ved deres grensesnitt.
III. Overflateaktive stoffer som har evne til å danne gellignende strukturer, dvs. til en viss grad faststofflignende (se kapittel VII.5) i adsorpsjonslag og -volumer
i faser Dessuten, i noen tilfeller, kan overflateaktive stoffer relatert her kanskje ikke ha høy overflateaktivitet. De fleste overflateaktive stoffer som tilhører denne gruppen er høymolekylære, naturlige eller syntetiske stoffer med overveiende kompleks struktur, med et stort antall polare grupper (proteiner, glukosider, cellulosederivater, polyvinylalkohol, etc.). Slike stoffer brukes som svært effektive stabilisatorer av moderat konsentrerte dispergeringssystemer av forskjellige arter: skum, emulsjoner, suspensjoner. Overflateaktive stoffer fra denne gruppen kan fungere som myknere for høykonsentrerte dispersjoner (pastaer). Virkningsmekanismen til disse stoffene er omtalt i kapittel. VII-IX.
IV. Overflateaktive stoffer som virker rensende. De kombinerer funksjonene til alle de tre tidligere gruppene av overflateaktive stoffer og er i tillegg i stand til spontan dannelse i volumet av væskefasen av termodynamisk stabile kolloidale partikler (micelledannelse i overflateaktive løsninger, se kapittel VI) og inkludering av vaskbare forurensninger inn i kjernen av miceller (solubilisering, se der). Dette inkluderer forskjellige anioniske, kationiske og ikke-ioniske overflateaktive stoffer fra de som er nevnt senere i dette avsnittet.
Basert på deres kjemiske struktur kan overflateaktive stoffer deles inn i to store klasser. Dette er på den ene siden organiske overflateaktive stoffer med amfifile molekyler, universelt overflateaktive ved de fleste interfasegrenser (naturligvis under deres nedbrytningstemperatur), men gir vanligvis bare en relativt liten reduksjon i EN(med 30-40 mJ/m2). På den annen side er dette en lang rekke, primært uorganiske, stoffer som viser selektiv, men ofte svært høy overflateaktivitet i forhold til et gitt spesifikt grensesnitt, som er i stand til å forårsake en svært kraftig reduksjon i et (lavtsmeltende metaller i forhold til til visse mer ildfaste metaller, vann i forhold til en serie salter, etc.).
Et spesielt sted er okkupert av organosilisium og andre organoelement overflateaktive stoffer, som har økt varmebestandighet og andre egenskaper som gjør at de kan brukes under ekstreme forhold (høye temperaturer og trykk, aggressive miljøer). En viktig plass i det moderne utvalget av overflateaktive stoffer begynner å bli okkupert av forbindelser med fluorerte (inkludert perfluorerte) radikaler, som er i stand til en sterkere reduksjon i o enn konvensjonelle overflateaktive stoffer med hydrokarbon hydrofobe radikaler.
Selvfølgelig kan klassifiseringen av overflateaktive stoffer tilnærmes fra forskjellige synspunkter, og den gitte inndelingen i henhold til deres virkningsmekanisme i fire grupper er ikke uttømmende (de kan overlappe hverandre og vises sammen). Merk at denne inndelingen er formulert i prinsippet for konvensjonelle organiske overflateaktive stoffer; samtidig kan den til en viss grad utvides til andre stoffer, spesielt til representanter for gruppe II - dispergeringsmidler (se kapittel IX.4).
En beskrivelse av egenskapene og bruksområdene til overflateaktive stoffer i ulike områder av industri, landbruk, medisin, etc., data om råvarer, syntese og produksjon av overflateaktive stoffer finnes i den tilgjengelige referanse- og monografiske litteraturen *.
Hovedklassene av syntetiske organiske overflateaktive stoffer er følgende: alkynbenzensulfonater, alkylsulfater, olefinsulfonater, etoksylerte overflateaktive midler, blokkkopolymerer, kvaternære ammoniumbaser.
Hovedkarakteristikkene som bestemmer omfanget av produksjonen av visse overflateaktive stoffer, i tillegg til deres fysisk-kjemiske egenskaper, er kostnadene deres, tilgjengeligheten av kilder til råvarer og miljøvennlighet, preget først og fremst av biologisk nedbrytbarhet - tid til å redusere konsentrasjonen av overflateaktivt middel med et visst antall ganger. Problemet med å syntetisere svært biologisk nedbrytbare PAB har nå blitt spesielt aktuelt. Dette skyldes spesielt det faktum at overflateaktive stoffer, konsentrert i adsorpsjonslag på overflaten av vannforekomster, endrer leveforholdene til forskjellige organismer, for eksempel på grunn av endringer i oksygenutvekslingsprosesser. En betydelig miljøfare er dannelsen av stabilt skum under adsorpsjon av overflateaktive stoffer på overflaten av vann, i rensefiltre osv. Det har blitt lagt merke til at overflateaktive stoffer med en lineær hydrokarbonkjede har den høyeste biologiske nedbrytningshastigheten, mens overflateaktive stoffer med aromatiske og forgrenede alifatiske radikaler, spesielt med kvartære karbonatomer, er lite mottakelige for mikroorganismer. Bruk av parafinråmaterialer for syntese av overflateaktive stoffer med lineær kjede er derfor et viktig miljøaspekt ved produksjon og bruk av overflateaktive stoffer.
Basert på deres kjemiske natur er organiske overflateaktive stoffer med en amfifil struktur delt inn i anioniske, kationiske, amfolytiske og ikke-ioniske. Den dominerende posisjonen blant overflateaktive stoffer produsert i verden er okkupert av de billigste og ganske universelle anioniske overflateaktive stoffene, som utgjør minst 60 % av verdensproduksjonen; opptil 30 % er ikke-ioniske overflateaktive stoffer, ~ 10 % er kationiske, og bare en brøkdel av en prosent er syntetiske amfolytiske overflateaktive stoffer.
Anioniske overflateaktive stoffer er organiske forbindelser som, når de dissosieres i vann, danner et anion med et langt hydrokarbonradikal - en bærer av overflateaktivitet; Dessuten er kationen ikke overflateaktiv ved vann-luft-grensesnittet. Anioniske overflateaktive midler inkluderer følgende forbindelser.
Salter av karboksylsyrer (såper) med den generelle formelen RCOO - Me +, hvor R er det organiske radikalet Cg - C20; Me + - Na + (i faste såper), K + (i flytende såper) eller NH 4. Slike overflateaktive stoffer utmerker seg ved den ganske enkle teknologien for produksjon (derav relativt lave kostnader) og, veldig viktig, fullstendig biologisk nedbrytbarhet. Karboksylsyresåper har en god renseeffekt kun i et alkalisk miljø (på grunn av dannelsen av dårlig løselige fettsyrer) og i hardt vann (på grunn av dannelsen av uløselige kalsium- og magnesiumsalter), renseevnen til; disse overflateaktive stoffene er lave.
I lang tid var de viktigste råvarene for deres produksjon naturlig fett - estere av glyserol og forskjellige fettsyrer, hvis forsåpning vanligvis ble brukt til å skaffe karboksylsyresåper. Behovet for stort forbruk av verdifulle matråvarer krevde utvikling av produksjonen av syntetiske fettsyrer (FFA). FFAer med normal struktur, som inneholder 10-20 karbonatomer per molekyl, oppnås ved flere metoder (se nedenfor) og er mye brukt i produksjonen av overflateaktive stoffer.
Alkylarylsulfonater (oftest alkylbenzensulfonater) - salter av aromatiske sulfonsyrer med den generelle formelen RArSOJMe* er de billigste og lettest tilgjengelige av syntetiske overflateaktive stoffer. De gjør opp -70% alle produserte anioniske overflateaktive stoffer (mer enn 100 artikler). Tilstedeværelsen av et sterkt surt anion i deres molekyl sikrer dissosiasjon og følgelig en god renseeffekt av slike overflateaktive stoffer i både alkaliske og sure miljøer, så vel som i hardt vann.
Typisk fremstilles alkylbenzensulfonater ved alkylering av benzen med kloralkaner eller olefiner, etterfulgt av sulfonering og nøytralisering. Fram til 1964 var det viktigste alifatiske råmaterialet den såkalte propylentetrameren - en blanding av isomere Cu-Cu-olefiner, inkludert mange forgrenede forbindelser. Naoppnådd fra dette råmaterialet, produsert i Tyskland tilbake i første verdenskrig, på grunn av dets ekstremt dårlige biologiske nedbrytbarhet (fig.
Ris. elleve
/-at; 2- lineære alkylbenzensulfonater; 3- lineære alkylsulfater
II-28, kurve JEG) er for tiden forbudt for bruk i de fleste utviklede land i verden, og produksjonen har praktisk talt opphørt.
I denne forbindelse har produksjonen av alkylbenzensulfonater med en lineær struktur av alkylradikalet utviklet seg. Slike forbindelser kjennetegnes ved raskere nedbrytning i biosfæren (fig. II-28, kurve 2). I dette tilfellet er råmaterialet for alkylering av benzen normale parafiner, som er isolert, spesielt fra lavtkokende (parafin) fraksjoner av oljer.
Denne gruppen overflateaktive stoffer inkluderer også natriumpropyl- og butylnaftalensulfonater (nekali).
Alkylsulfater er salter av svovelsyreestere; generell formel ROSOjMe + (R vanligvis Xiu - Xiu). Overflateaktive stoffer i denne gruppen er svært lovende fra et miljøsynspunkt (fig. II-28, kurve J), men er dyrere enn alkylarylsulfonater. De kan oppnås både fra høyere fettalkoholer (HFA) ved sulfoesterifisering etterfulgt av nøytralisering, og fra langkjedede olefiner ved direkte tilsetning av svovelsyre ved dobbeltbindingen og påfølgende nøytralisering.
Alkylsulfonater - RSOJMe * (R vanligvis Cu - C 2 o) - en lovende gruppe overflateaktive stoffer som har god renseeffekt ved forskjellige pH-forhold og i hardt vann, samt god biologisk nedbrytbarhet. De oppnås ved sulfoklorering eller sulfoksidering av høyere parafiner med påfølgende nøytralisering. Blant de lovende anioniske overflateaktive stoffene bør også olefinsulfonater nevnes.
Anioniske overflateaktive stoffer inkluderer også stoffer hvis molekyler inneholder andre typer anioniske grupper: fosfater - salter av partielle estere av fosforsyre, forskjellige salter av tiosulfonsyrer, xanthater, tiofosfater, etc. Anioniske overflateaktive stoffer brukes som fuktemidler, hovedkomponentene i vaskemidler ( vaskemidler), skummende midler; de er de viktigste micelledannende (se kapittel VI) overflateaktive stoffer med størst produksjonsvolum og -område. Anioniske overflateaktive stoffer viser sine egenskaper mest aktivt i alkaliske miljøer, selv om de også kan brukes i sure miljøer, for eksempel ved behandling av metaller med syrer for å fjerne oksidfilmer.
Kationiske overflateaktive stoffer dissosieres i vann for å danne et utviklet organisk kation - en bærer av overflateaktivitet. Disse inkluderer alifatiske og aromatiske aminer (primære, sekundære og tertiære) og deres salter, tetra-ammoniumbaser, pyridinderivater, etc.
Fettaminer kan oppnås fra alkylhalogenider ved reaksjon med ammoniakk (eller lavere aminer), fra fettsyrer eller deres derivater (amider og ammoniumsalter), og også ved ammonolyse av fettalkoholer. Aminer dissosierer og viser overflateaktivitet hovedsakelig i sure miljøer. Høyere homologer, for eksempel oktadecylamin, er uløselige i vann, men er oljeløselige overflateaktive stoffer.
Salter av kvartære ammoniumbaser)