Поверхностно-активные вещества свойства и применение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Фазовая  диаграмма и точка Крафта раствора ПАВ.

Одна из групп обуславливает  тенденцию к растворимости, а  другая препятствует ей. При образовании конгломератов возникает энергетически наиболее выгодное состояние системы: гидрофильные группы окружены гидрофильными, а гидрофобные - гидрофобным и, аналогично тому, как при адсорбции в системе жидкость/ жидкость.

/2/

Краевой угол смачивания.

 

Процессы смачивания сами по себе имеют большое практическое значение. Кроме того, прямое определение  поверхностного натяжения твердых  тел пока практически невозможно. Вследствие этого характеристикой  поверхностных свойств твердых тел служит краевой угол смачивания их жидкостями.

Краевой угол смачивания Ɵ  связан с поверхностным натяжением жидкость — газ ϭ^жг, твердое тело — газ ϭ^тг и твердое тело — жидкость ϭ^тж уравнением Юнга.

Рис. 11. Схема краевого угла смачивания.

ϭтг = ϭтж + ϭжг cosƟ полученным из условия равновесия капли на твердой поверхности (рис. 11). Краевой угол смачивания - экспериментально определяемая величина.

 

 

Это угол между поверхностью жидкость — твердое тело и касательной, проведенной к поверхности жидкость— газ в точке касания с твердым телом.

По значению краевого угла смачивания рассчитывается другая важная характеристика— работа адгезии к твердому телу W_a, которая определяется соотношением Дюпре:

При совместном решении  уравнений Дюпре и Юнга получается выражение работы адгезии, содержащее экспериментально определяемые величины ϭ^жг и Ɵ, по которому обычно и рассчитывается W_a.

 

 

/2/

 

 

Применение ПАВ.

Применение ПАВ в  бытовых моющих средствах

 

Анионные ПАВ имеют отрицательно заряженный ион (анион), обусловливающий поверхностную активность раствора. Они, как правило, обладают хорошими способностями к удалению частиц загрязнении, диспергирующими качествами и достаточным пенообразованием. Основная область применения таких ПАВ — бытовые чистящие и моющие средства. В качестве примеров анионных ПАВ можно привести линейные алкилбензолсульфонаты, сульфоэтоксилаты спиртов, сульфаты жирных спиртов, вторичные алкансульфонаты и α-олефинсульфонаты.

Неионогенные ПАВ при растворении в воде не диссоциируют на ионы. Имея умеренные характеристики пенообразования, они проявляют отличную способность к удалению масляных загрязнений (особенно с синтетических тканей) даже при относительно низких концентрациях. Кроме того, они обладают неплохими возможностями диспергировать загрязнения и предотвращать их повторное осаждение на поверхность. Неионогенные ПАВ используются в составах моющих средств либо сами по себе, либо в композициях с анионными. В число наиболее часто применяемых неионогенных ПАВ входят этоксилаты спиртов, этоксилаты алкилфенолов и алкаиоламиды жирных кислот.

Катионные ПAB при растворении в воде имеют положительно заряженный нон (катион). Область их применения — мягчение тканей и придание им антистатических свойств. Наиболее часто используемыми катионными ПАВ являются четвертичные аммониевые соединения.

Амфотерные (цвиттерионные) ПАВ при растворении в воде способны быть носителями как положительного, так и отрицательного заряда (в зависимости от pH). Они обладают превосходными моющими свойствами, но из-за высокой стоимости применяются в основном в составах шампуней и косметических средств. Примером амфотерных ПАВ служат алкилбетаины, алкилсульфобетаины и производные имидазолина. /1/

 

 

Использование ПАВ в  бумажной промышленности

 

ПАВ интенсивно используются в бумажной промышленности, и их значение в этой области постоянно. Современная бумажная промышленность уже полностью не зависит от древесины, как от сырья. На сегодняшний день 50% бумаги изготавливается на основе регенерированного сырья. При превращении древесины в древесную массу около 50% этой массы не используется, а из оставшейся доли получают не только бумагу, но и другие вещества, например, талловое масло. Повторное применение ведет к более высокому проценту используемости сырья, но полностью избежать отходов не удается. Материал для рециклизации должен быть очищен от краски, отделен от клеящих добавок, наполнителей и покрытий. Рециклизация предполагает много стадий, прежде чем удается получить бумагу, обладающую необходимыми потребительскими свойствами. Как регенерированные, так и первичные источники древесины волокон требуют физической и химической обработки.

1. непрерывная очистка бумажной массы войлоком

Древесное сырье, попадающее в основную часть деревообрабатывающей машины, в виде полотна мокрой волокнистой массы, из которой нужно удалить большую часть воды. На последнем этапе это полотно отжимают на войлочном прессе. Используемый войлок - это непрерывные ленты тяжелой ткани, которая действует как губка для дальнейшего обезвоживания полотен до такой степени, чтобы они соответствовали своему собственному весу на входе в осушитель. Когда с войлока удаляют полотна, он должен быть приведен в исходное состояние. Данный этап предполагает обработку водой для удаления частиц мусора, обработку моющим средством для удаления грязи, и вакуумную обработку для удаления воды. Таким образом, войлок очищается в том же режиме, что и сама машина. Легче всего с войлока удаляются такие загрязнители, как бумажные волокна. Мелкие волокна застревают в структуре войлока, зачастую удерживаемые другими примесями (типа смол), представленными разнообразными органическими соединениями из волокнистой массы и основного блока машины. Неомыляемые жиры, клеящие примеси, канифоль, добавленные для прочности мокрого или сухого материала, целлюлозные соединения с внешней стороны волокон и тальк, добавляемые для контроля над смолами, — все это и есть так называемые итоговые смолы. Неорганические загрязнители — это в основном кремнезем, пигменты (например, оксид титана), и наполнители типа глины и кальций карбоната. Если используется регенерированная бумага, загрязнителей значительно больше, особенно клеящих добавок (уплотняющие пленки и высокоплавкие адгезивы). В щелочных условиях изготовления бумаги, где главная составная часть примесей — карбонат кальция, используются кислотные очистители.

Большинство кислотных очистителей  имеют следующий состав, %:

• кислота (серная или фосфорная)    30;
• неионогенное IIAB, ГЛБ 10-13          5.

Щелочные очистители основаны на гидроксиде натрия и ПАВ Они подходят для очистки от глицеридов, жирных кислот и гидроксида алюминия (используемых для подготовки машин к работе).

Щелочные очистители имеют следующий  состав, %:

• 50%-пый раствор каустика        30;
• натрий глюконат          2;
• ПАВ, устойчивое к щелочам 3.

2. периодическая очистка войлока

Если непрерывной очистки недостаточно, то войлок вынимается из машины и чистится в специальных резервуарах. При этом в состав очистителей включают более агрессивные компоненты и повышают температуру обработки. Очистители, описанные выше, применяются в концентрированном виде; иногда используют органические растворители.

Как кислотная, так и щелочная очистка  в таких случаях предусматривает  использование в качестве ПАВ этоксилатов первичных и вторичных спиртов с ГЛБ 10-13 либо выше, поскольку пенообразование здесь не запрещено. НТА, ЭДТА, лимонная кислота, диспергирующие полимеры и средства, предотвращающие скапливание капель на поверхности, включаются в процесс очистки в резервуарах, так как здесь гораздо ниже затраты.

В составах, содержащих летучие кислоты (такие как соляная), используют ПАВ  с хорошей способностью к ценообразованию, например, линейные алкилбензолсуль- фонаты или бетаин (при концентрации 3-5%). Они формируют пенный покров, позволяющий контролировать испарения и предотвращать разбрызгивание.

 

3. смачивание картона

Упаковочный гофрированный картой производится в больших количествах. Надежность такой тары зависит от конструкции гофрированных целлюлозных листов, с обеих сторон приклеенных к крафт-бумаге. Для этого место склеивания должно быть достаточно прочным. Этого не легко добиться из-за высоких скоростей технологического процесса, особенно если картон делают из древесной массы или из регенерированного сырья.

ПАВ используют, когда место склеивания поверхностей картона и бумаги недостаточно прочное. Октилфенолэтоксилаты (со значением ГЛБ в пределах от 12 до 14) могут обеспечить необходимое смачивание клеем, покрывая гидрофобную поверхность бумаги.

ПАВ используется для изготовления увлажняющих салфеток. В одноразовых  салфетках требуется наличие общей емкости для влагопоглощения и быстрого заполнения капилляров. Емкость обеспечивается целлюлозными волокнами, а быстрое впитывание — добавлением ПАВ (благодаря его смачивающим свойствам). В данную группу входят этоксилаты октилфенола и сложные эфиры фосфорной кислоты, которые могут быть использованы для обработки поверхностей, либо включены в древесную массу в виде конечного слоя покрытия В некоторых случаях такая обработка заменяется использованием целлюлозы с привитыми на ее поверхность сильно гидрофобными полимерами (например, полиакрилатами).

 

4. Пеногасители

В целлюлозно-бумажной промышленности используется огромное количество пеногасителей. В основном — на целлюлозных комбинатах, где используются дисперсии активных компонентов в масле. Активные компоненты включают в себя этилендиаминбистеарамид, силиконовые масла и гидрофобный кремнезем. ПАВ применяются в пеногасителях в двух основных направлениях:

• для обеспечения быстрого распределения пеногасителя по объему емкости;
• для лучшего смачивания волокон путем уменьшения количества вовлекаемого воздуха.

 

5. обесцвечивание макулатуры

Повторное использование восстановленных  волокон за последние десять лет  стало одним из основных направлений  бумажной промышленности. Повторно используемая (вторичная) бумага в первую очередь должна быть расщеплена и очищена от краски. Вторичное сырье может содержать различные виды чернил, наполнителей и покрытий. Расщепление — практически неизменный щелочной процесс, поскольку высокие pH приводят к разбуханию и гидратированию волокон. Такие физические изменения способствуют удалению части чернил. В дополнение к такой основности к древесной массе добавляются ПАВ; в большинстве случаев предпочтение отдается непенящимся, неионогениым ПАВ. В данном случае подходят алкилфенолэтоксилаты со значением ГЛБ в пределах от 11 до 13. Если необходимо пенообразование, применяют додецилбензолсульфонаты, сульфированный алкилированный дифенилоксид — ПAB, обладающее стабильностью в щелочных средах. Кроме того, они являются хорошими связывающими агентами и устойчивыми к действию отбеливателей.

В последнее время появляются новые  сложно удаляемые чернила. Например, чернила, которые применяют в лазерной и струйной печати, стандартными ПАВ удалить сложно. Определенный успех достигается применением коллоидного кремнезема или стабилизированного полиэтилена с ПАВ в композициях с отбеливателями типа хлора или пероксида. Могут использоваться и растворители, однако это значительно дороже. Наиболее простым и распространенным решением в таких случаях является удаление чернил и дальнейшее использование получаемого серого продукта для изготовления упаковочных бумаги или картона на цилиндрических машинах.

Повторное использование бумаги, предварительно покрытой различными пленками, — сложная задача для производителя. Некоторые покрытия диспергируются в бумажной массе, щелочи и ПАВ. Чаще же покрытия остаются на волокнах и могут быть удалены пенной флотацией с минимальной потерей волокна. В этих случаях используются хорошо пенящиеся сульфаты спиртов или амфотерные ПАВ. В зависимости от типа покрытия также могут быть использованы и более дешевые и простые ПАВ, такие как хвойное масло или ЛАБС (линейный алкилбензолсульфонат).

 

6. фракционирование волокнистой бумажной массы

Преимущества фракционирования — в экономической выгоде и в повышении качества получаемой продукции. Фракционирование волокон зависит от химического состава их поверхности и ПАВ, природа которого дополняет целостность этого состава. В зависимости от способа получения волокон при их разделении видно, что волокна, полученные из древесной массы, обладают относительно гидрофобной поверхностью, поскольку там есть остаточный лигнин, а крафт-волокна сравнительно чисты от лигнина и потому более гидрофильны. Разделение может быть проведено с использованием ПАВ, гидрофобная часть которых адсорбируется предпочтительно на древесной массе. В этих случаях пенообразование дает способ разделения таким образом, что полученная механическим путем волокнистая масса (например, древесная масса) остается в жидкости, а химически преобразованные волокна (например, крафт-волокна, сульфиты) отделяются с пеной.

Разделение по размерам более сложное, нежели разделение по способу производства, Используемые здесь ПАВ разнообразны — от хвойного масла до аминов и гидролизонанных полимеров. Добавление IIAB проводится для того, чтобы обеспечить образование пены как флотоагента мелких волокон, выносимых на поверхность, а более длинные волокна остаются при этом на дне аппарата. Чернила также переходят на поверхность, следовательно, этот способ может быть скомбинирован с очисткой вторичного сырья от чернил. /1/

 

ПАВ в текстильной промышленности

 

ПАВ необходимы в текстильной  промышленности на многих стадиях производства - от получения сырого волокна до конечного изделия. В процессе подготовки к прядению природные волокна промываются от природных масел и загрязнении. Как правило, синтетические волокна не требуют подобной промывки, однако в них имеются масла, используемые при прядении для смазки. Эти масла удаляются дальнейшей промывкой (перед окраской или печатью). Все средства, используемые для промывки, включают в себя ПАВ которые содержатся также в получаемых тканях (они придают им мягкость и антистатические свойства). /1/