السطحي وخصائصها. مادة نشطة السطح

فيما يتعلق بالمرحلة غير القطبية (غاز ، هيدروكربون ، سطح غير قطبي جسم صلب) له جذر هيدروكربوني يتم دفعه خارج البيئة القطبية. في محلول مائي لمادة خافضة للتوتر السطحي ، تتشكل مادة خافضة للتوتر السطحي للامتصاص عند الحدود مع توجيه جذور الهيدروكربون نحوها. نظرًا لأنه مشبع (أيونات) خافض للتوتر السطحي ، يتكثف في طبقة سطحيةعمودي على السطح (الاتجاه الطبيعي).

اعتمادًا على حالة المواد الخافضة للتوتر السطحي في المحلول ، يتم تمييز المواد الخافضة للتوتر السطحي القابلة للذوبان حقًا (المشتتة جزيئيًا) والمواد الخافضة للتوتر السطحي بشكل مشروط. شرطية هذا التقسيم هي أن نفس الفاعل بالسطح يمكن أن ينتمي إلى كلا المجموعتين ، اعتمادًا على الظروف والكيمياء. طبيعة (قطبية) المذيب. يتم امتصاص كلتا المجموعتين من المواد الخافضة للتوتر السطحي عند حدود الطور ، أي أنها تظهر في المحاليل ، بينما تُظهر فقط المواد الخافضة للتوتر السطحي الغروية خواص مجمعة مرتبطة بتكوين طور غرواني (micellar). تختلف هذه المجموعات من المواد الخافضة للتوتر السطحي في قيمة كمية بلا أبعاد ، والتي تسمى. التوازن المحبة للماء - محبة للدهون (HLB) ويتم تحديدها من خلال النسبة:

أين هو التقارب (الطاقة الحرة للتفاعل) للجزء غير القطبي من الفاعل بالسطح إلى الهيدروكربون (ب هي معلمة بلا أبعاد تعتمد على طبيعة المادة الخافضة للتوتر السطحي ، هي الطاقة الحرة للتفاعل لكل مجموعة CH 2 واحدة ، v هي عدد مجموعات الميثان في الجذر الهيدروكربوني) ، وانجذاب المجموعة القطبية لـ. بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي الغروية (b + أو ، حيث تتوافق المؤشرات m مع قيم التقارب الدنيا التي عندها خصائص الغروانيةالتوتر السطحي. الحد الأدنى لعدد الكربون في الجذر لـ أنواع مختلفةتقع المواد الخافضة للتوتر السطحي الغروية في نطاق 8-12 ، أي المواد الخافضة للتوتر السطحي الغروية لها جذور هيدروكربونية كبيرة إلى حد ما. في الوقت نفسه ، يجب أن تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي الغروية أيضًا بقابلية ذوبان حقيقية في ، أي يجب أيضًا أن تكون قطبية المجموعة المحبة للماء عالية بدرجة كافية. هذا يتوافق مع الشرط:

في البداية. 60 ثانية القرن ال 20 طور D. Davis مقياس HLB بقيم من 0 إلى 40. المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات الخصائص المحبة للدهون لها قيم منخفضة HLB ، مع ماء عالي. يتم تعيين رقم مجموعة لكل مجموعة متضمنة في الفاعل بالسطح. عند جمع هذه الأرقام معًا ، يتم الحصول على HLB بالصيغة:

HLB = أرقام المجموعة المحبة للماء + 4 أعداد مجموعة كارهة للماء + 7.

على الرغم من أن مفهوم HLB رسمي إلى حد ما ، إلا أنه يسمح للشخص بتحديد مجالات تطبيق المواد الخافضة للتوتر السطحي. لذلك ، بالنسبة لتكوين الماء / الزيت ، يقع HLB في نطاق 3-6 ، زيت / ماء نعم -8-16 ، لعوامل الترطيب - 7-9 ، للعوامل - 13-15.

تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي (ampholytic) على جذري محب للماء وجزء كاره للماء قادر على أن يكون متقبلًا أو مانحًا ، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للمحلول. بشكل نموذجي ، تشتمل هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي على مجموعة واحدة أو أكثر من المجموعات الأساسية والحمضية ، وقد تحتوي أيضًا على مجموعة بولي جليكول غير أيوني. اعتمادًا على قيمة الأس الهيدروجيني ، فإنها تعرض خصائص المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة أو الأنيونية. عند بعض قيم الأس الهيدروجيني ، ناز. ، السطحي موجودة في شكل zwitterions. ثوابت التأين للمجموعات الحمضية والأساسية من المواد الخافضة للتوتر السطحي القابلة للذوبان حقًا منخفضة جدًا ، لكن zwitterions الموجهة نحو الكاتيونات والموجهة للأنيونات هي الأكثر شيوعًا. عادة ما تكون المجموعة الكاتيونية مجموعة أمونيوم أولية أو ثانوية أو ثالثة أو بقايا أو. من حيث المبدأ ، بدلاً من N m. b. المجموعات الأنيونية هي مجموعات الكربوكسيل ، السلفونات ، السلفوثير أو الفوسفات.

حسب علم الكيمياء. هيكل وبعض التشابه في الخصائص ، وتنقسم المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى 5 رئيسية. المجموعات: 1) الأحماض alkylaminocarboxylic RNH (CH 2) n COOH ؛ ألكيل راديكاليعادة ما تكون طبيعية (سلسلة مستقيمة) ، ولكن إذا كانت تقع بين مجموعة الأمين ومجموعة الكربوكسيل ، فإنها أحيانًا لها طابع متفرع. تشتمل المجموعة نفسها على أحماض ألكيلامينو-فينيل كربوكسيل RNHC 6 H 4 COOH ؛ أحماض alkylaminocarboxylic مع مجموعة أمينية أولية أو ثانوية أو ثلاثية RCH (NH 2) COOH ، RCH (NHR) COOH ، R (CH 3) NCH 2 COOH ؛ مع مجموعة وسيطة من الهيدروكسيل أو الأثير أو الإستر أو الأميد أو السلفو أميد ؛ مواد تحتوي على مجموعتين أو أكثر من المجموعات الأمينية والأميدو ، مع العديد من المجموعات الأمينية والهيدروكسيل.

2) Alkyl betaines هي أهم مجموعة من المواد الخافضة للتوتر السطحي zwitterionic. يمكن تقسيمها إلى 5 قواعد. المجموعات: أ) alkylbetaines -C-alkylbetaines RCH COO - و N-alkylbetaines RN + (CH 3) 2 CH 2 COO - ؛ ب) كبريتات- ، سول-فو- ، كبريتات- وفوسفات بيتينز RN + (CH 3) 2 CH 2 CH 2 RN + (CH 3) 2 CH 2 CH 2 ، RC 6 H 4 CH 2 N + (CH 3) 2 CH 2 CH 2 RN + (CH 3) 2 CH 2 CH (OH) CH 2 OP ؛ ج) أميدوبتينيس RCONH (CH 2) 3 N + (CH 3) 2 COO - ؛ د) ethoxylated RN + [(C 2 H 4 O) p H] [(C 2 H 4 O) g H] CH 2 COO - ؛ ه) المواد الخافضة للتوتر السطحي zwitterionic الأخرى.

3) مشتقات alkylimidazolines ، حيث يكون للمجموعات الأنيونية والكاتيونية نفس ثوابت التأين تقريبًا (الصيغتان VII و VIII) ، حيث R هي alkyl C 7 -C 17 ، R "-H ، Na ، CH 2 COOM (M-metal) حسب البنية وطرق التوليف ، يتم عزل خافضات التوتر السطحي البيتين ، بما في ذلك مجموعة الكربوكسي ، أو السلفو ، أو الكبريتات ، أو مجموعة السلفوستر [الصيغة IX ؛ R "= (CH 2) n COO - ، (CH 2) 3 ، CH 2 CH ( OH) CH 2] وغيره من المواد الخافضة للتوتر السطحي ("غير البيتين") إيميدازولين [الصيغة X ؛ R "\ u003d CH 2 COONa ، (CH 2) 2 N (CH 2 COOH) 2 ، (CH 2) 2 N \ u003d \ u003d CHC 6 H 4 SO 3 H ، (CH 2) 2 OSO 3 H]. يوفر توازن المجموعات المتأينة لهذه المركبات خصائص غروانية كيميائية وصحية جيدة.

4) سلفونات ألكيلامين ألكان وكبريتات (AAAC 1 و AAAC 2 على التوالي). إشارة أنيونية. تنتقل المواد بسهولة إلى الشكل zwitterionic ، مما يجعل من الممكن عزلها شكل نقي. ثابت التأين للمجموعة الحمضية أكبر بكثير من الثابت الأساسي ، لذلك يتم استخدامها في بيئة قلوية. ومع ذلك ، في حالة العديد من المجموعات الرئيسية وفي وجود مجموعات أخرى محبة للماء بجانب المجموعة الحمضية ، فإن هذه المواد متشابهة في خصائصها ومجالات تطبيقها على المواد الخافضة للتوتر السطحي ولها تأثير مبيد للجراثيم. اعتمادًا على ثوابت التأين ، AAAC 1 RN (R ") -R: - SO 3 M ، AAAC 2 RN (R") -R: - OSO 3 M ، مشتقات الأحماض الأمينية السلفونية الأروماتية RR "N-Ar-SO 3 M ، aminosulfonates مع N في دورات غير متجانسة (الصيغة XI) ؛ aminophosphates ، aminophosphonates والمركبات الأخرى المحتوية على أمين من النوع RR "R: P (O) (OH) 2 ، RR" R "" OP (O) (OH) 2 ، حيث R و R "- جذور هيدروكربونية طويلة وقصيرة ، R: - جذري ثنائي التكافؤ قصير ؛ كون. RN (CH 2 CH 2 SO 3 Na) 2. الاختلاف بينهما هو قدرة جيدة على تشتيت الكالسيوم ومقاومته.

5) المواد الخافضة للتوتر السطحي البوليمرية: طبيعية (بروتينات ، أحماض نووية ، إلخ) ؛ الطبيعية المعدلة (تحلل قليل القسيمات ، كبريتير ، كيتين) ؛ منتجات متدرجة ، أحماض دهنية؛ المشتقات التي تم الحصول عليها عن طريق إدخال مجموعات الكربوكسيل وثنائي إيثانول أمين إيثيل ؛ الاصطناعية ، والتي تجمع بين السمات الهيكلية لجميع المجموعات المذكورة أعلاه من المواد الخافضة للتوتر السطحي (انظر ، على سبيل المثال ، الصيغ XII-XVI).

استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي.يبلغ الإنتاج العالمي من المواد الخافضة للتوتر السطحي 2-3 كجم للفرد في السنة. يستخدم ما يقرب من 50٪ من المواد الخافضة للتوتر السطحي (المنظفات والمنظفات ، ومستحضرات التجميل) ، والباقي في الصناعة ومع. س- الخامس. بالتزامن مع الزيادة السنوية في إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي ، فإن النسبة بين استخدامها في الحياة اليومية والصناعة تتغير لصالح الصناعة.

يتم تحديد استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي من خلال هيكل طبقات الامتزاز وخصائص الحلول الضخمة. تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي لكلا المجموعتين (القابلة للذوبان والغروية حقًا) كمشتتات في حفر الصخور الصلبة (مخفضات الصلابة) ، لتحسين وتقليل وتآكل كثافة استخلاص الزيت ، إلخ. جانب مهماستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي - التكوين والدمار ،. تطبيق واسعتم العثور على المواد الخافضة للتوتر السطحي للتنظيم والاستقرار مع وسط تشتت السائل (مائي وعضوية). تستخدم أنظمة Micellar على نطاق واسع ، والتي تتكون من المواد الخافضة للتوتر السطحي في كل من المياه وغير المائية البيئة المائية، والتي لا تعتبر النشاط السطحي للمواد الخافضة للتوتر السطحي وخصائص امتصاصها هي المهمة. الطبقات ، وخصائص الكتلة: حالات شذوذ واضحة مع زيادة في الفاعل بالسطح حتى التكوين ، على سبيل المثال ، في وسط مائي ، تبلور. هياكل صلبة أو صلبة مثل الهياكل (على أساس زيوت البترول).

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في أكثر من 100 صناعة اقتصاد وطني. معظميتم استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي المنتجة في تكوين، في إنتاج الأقمشة والمنتجات القائمة على الاصطناعية. وطبيعية ألياف. من بين المستهلكين الكبار من المواد الخافضة للتوتر السطحي البترول والكيماويات. صناعة البناء والتشييد. المواد وعدد من الآخرين. أكثر تطبيقات مهمةالتوتر السطحي:

الحفر بالطين والمياه / الزيت القابلة للعكس. لتنظيم الاستقرار التجميعي والخصائص الانسيابية للحلول ، يتم استخدام مواد خافضة للتوتر السطحي عالية الوزن الجزيئي قابلة للذوبان في الماء ، وبولي أكريلاميد ، وما إلى ذلك ، يضاف الكالسيوم إلى الطبيعة. والاصطناعية. الأحماض الدهنية (C 16-C 18 وما فوق) ، الألكيل عطري. ، alkylamines ، alkylamidoamines ، alkylimidazolines.

الاستخلاص المعزز للنفط من خلال غمر ميسيلار (سلفونات إيثوكسيل وألكيل أروماتية) ؛

مضادات الأكسدة والضغط الشديد والمواد المضافة الأخرى في إنتاج عمال المناجم. الزيوت (صابون اصطناعي من الأحماض الدهنية والبترول وكحول الهيدروكسي إيثيل) والبلاستيك. مواد التشحيم (المشتقات ، أريلامين ، ألكيل وفوسفات أريل) ؛

تنظيم الحديد والمنغنيز (صابون الأحماض الدهنية الطبيعية والاصطناعية ، الأمينات الأليفاتية الأعلى) ، نادر (أحماض الكيلارسونيك والألكيل فوسفونيك ، السلفونات الألكيل أروماتية) ؛

المستحلب والإنتاج والفينيل الآخر (كربوكسي ميثيل سلولوز ، بولي ، أحماض دهنية صناعية ، كبريتات ألكيل ، وألكيل فينول) ؛

الإنتاج الكيميائي. الألياف (هيدروكسي إيثيل والأميدات ، والأعلى والأحماض) ؛

الترميم الميكانيكي

تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي على بنية جزيئية قطبية (غير متماثلة) ، وهي قادرة على الامتصاص في الواجهة بين وسيطين وتقليل الطاقة السطحية الحرة للنظام. يمكن أن تؤدي الإضافات البسيطة جدًا من المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى تغيير خصائص سطح الجسيمات وإعطاء المادة صفات جديدة. يعتمد تأثير المواد الخافضة للتوتر السطحي على ظاهرة الامتزاز ، والتي تؤدي في نفس الوقت إلى تأثير معاكس أو اثنين: انخفاض في التفاعل بين الجسيمات وتثبيت الواجهة بينهما بسبب تكوين طبقة بينية. تتميز معظم المواد الخافضة للتوتر السطحي ببنية خطية للجزيئات ، يتجاوز طولها الأبعاد العرضية (الشكل 15). تتكون الجذور الجزيئية من مجموعات مرتبطة في خصائصها بجزيئات المذيبات ، ومجموعات وظيفية ذات خصائص مختلفة تمامًا عنها. هذه مجموعات قطبية محبة للماء ، وجود روابط تكافؤ واضحة ولها تأثير معين على الترطيب والتشحيم وغيرها من الإجراءات المرتبطة بمفهوم نشاط السطح . في هذه الحالة ، يتناقص مخزون الطاقة الحرة مع إطلاق الحرارة نتيجة الامتزاز. يمكن أن تكون المجموعات المحبة للماء في نهايات سلاسل الهيدروكربون غير القطبية هيدروكسيل - OH ، كربوكسيل - COOH ، أمينو - NH 2 ، سلفو - SO ومجموعات أخرى شديدة التفاعل. المجموعات الوظيفية عبارة عن جذور هيدروكربونية كارهة للماء تتميز بروابط تكافؤ ثانوية. توجد التفاعلات الكارهة للماء بشكل مستقل عن القوى بين الجزيئات ، كونها عاملًا إضافيًا يساهم في التقارب ، "الالتصاق معًا" للمجموعات أو الجزيئات غير القطبية. يتم توجيه طبقة الامتصاص أحادية الجزيء لجزيئات الفاعل بالسطح بواسطة الأطراف الحرة لسلاسل الهيدروكربون من

سطح الجسيمات ويجعلها غير قابلة للبلل ، كارهة للماء.

تعتمد فعالية مضاف خافض للتوتر السطحي معين على الخصائص الفيزيائية والكيميائيةمواد. قد لا يكون للمادة الخافضة للتوتر السطحي التي لها تأثير في نظام كيميائي ما أي تأثير أو يكون لها تأثير معاكس في نظام آخر. في هذه الحالة ، يكون تركيز الفاعل بالسطح مهمًا جدًا ، والذي يحدد درجة تشبع طبقة الامتزاز. في بعض الأحيان ، تُظهر المركبات عالية الجزيئات نشاطًا مشابهًا لمواد الخافض للتوتر السطحي ، على الرغم من أنها لا تغير التوتر السطحي للماء ، مثل كحول البولي فينيل ، ومشتقات السليلوز ، والنشا ، وحتى البوليمرات الحيوية (مركبات البروتين). يمكن أن تمارس الإلكتروليتات والمواد غير القابلة للذوبان في الماء تأثير المواد الخافضة للتوتر السطحي. لذلك ، من الصعب جدًا تحديد مفهوم "الفاعل بالسطح". بمعنى واسع ، يشير هذا المفهوم إلى أي مادة تغير ، بكميات صغيرة ، بشكل ملحوظ خصائص سطح نظام التشتت.

تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي متنوع للغاية وفي بعض الحالات متناقض. تم إجراء عدة محاولات للتصنيف وفقًا لمعايير مختلفة. وفقًا لـ Rebinder ، يتم تقسيم جميع المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى أربع مجموعات وفقًا لآلية العمل:

- عوامل الترطيب ومزيلات الرغوة وعوامل الرغوة ، أي النشطة في السطح البيني للغاز السائل. يمكن أن تقلل من التوتر السطحي للماء من 0.07 إلى 0.03-0.05 جول / م 2 ؛

- المشتتات ، الببتيدات.

- المثبتات ، والملدنات الامتزازية والمخففات (مخفضات اللزوجة) ؛

- المنظفات التي تحتوي على جميع خواص المواد الخافضة للتوتر السطحي.

في الخارج ، يتم استخدام تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي وفقًا لغرضها الوظيفي على نطاق واسع: المخففات ، وعوامل الترطيب ، والمشتتات ، والمزيلات ، وعوامل الرغوة ومزيلات الرغوة ، والمستحلبات ، ومثبتات الأنظمة المشتتة. يتم أيضًا تحرير المواد اللاصقة والملدنات ومواد التشحيم.

وفقًا للتركيب الكيميائي ، يتم تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي اعتمادًا على طبيعة المجموعات المحبة للماء والجذور الكارهة للماء. تنقسم الجذور إلى مجموعتين - أيونية وغير أيونية ، يمكن أن تكون الأولى أنيونية وكاتيونية.

السطحي غير الأيوني تحتوي على مجموعات نهائية غير قابلة للتأين ذات انجذاب كبير لوسط التشتت (الماء) ، والذي يشتمل عادةً على ذرات الأكسجين والنيتروجين والكبريت. المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية عبارة عن مركبات تكون فيها سلسلة هيدروكربونية طويلة من الجزيئات ذات ألفة منخفضة لوسط التشتت جزءًا من الأنيون المتكون في محلول مائي. على سبيل المثال ، COOH عبارة عن مجموعة كربوكسيل ، SO 3 H هي مجموعة sulfo ، OSO 3 H عبارة عن مجموعة إيثر ، H 2 SO 4 ، إلخ. تشتمل المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية على الأملاح الأحماض الكربوكسيلية، سلفات الألكيل ، ألكيل سلفونات ، إلخ. عوامل كاتيونية شكل في محاليل مائيةالكاتيونات التي تحتوي على جذور هيدروكربونية طويلة. على سبيل المثال ، 1 ، 2 ، 3 ، 4 - الأمونيوم المستبدل ، إلخ. ومن أمثلة هذه المواد أملاح أمين ، وقواعد الأمونيوم ، وما إلى ذلك. والتي ، اعتمادًا على طبيعة المرحلة المشتتة ، يمكن أن تظهر كل من الخصائص الحمضية والقاعدية. الأمفولات غير قابلة للذوبان في الماء ، لكنها نشطة في الوسط غير المائي ، مثل حمض الأوليك في الهيدروكربونات.

يقترح الباحثون اليابانيون تصنيفًا للمواد الخافضة للتوتر السطحي وفقًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية: الوزن الجزيئي ، والتركيب الجزيئي ، والنشاط الكيميائي ، وما إلى ذلك. يمكن أن تسبب الأصداف الشبيهة بالهلام على الجسيمات الصلبة الناتجة عن المواد الخافضة للتوتر السطحي نتيجة لتوجهات مختلفة للمجموعات القطبية وغير القطبية. تأثيرات مختلفة: تسييل. استقرار. تشتت؛ إزالة الرغوة. عمل ملزمة ، تلدين وتشحيم.

الفاعل بالسطح له تأثير إيجابي فقط عند تركيز معين. هناك آراء مختلفة جدًا حول مسألة الكمية المثلى من المواد الخافضة للتوتر السطحي التي سيتم تقديمها. أ. ريبيندر يشير إلى أن الجسيمات

1-10 ميكرومتر ، يجب أن تكون الكمية المطلوبة من المادة الخافضة للتوتر السطحي 0.1-0.5٪. تعطي المصادر الأخرى قيمًا تتراوح من 0.05 إلى 1٪ أو أكثر لدرجات نقاء مختلفة. بالنسبة للفريت ، وجد أنه من أجل تكوين طبقة جزيئية أحادية أثناء الطحن الجاف للمواد الخافضة للتوتر السطحي ، من الضروري تناول 0.25 مجم لكل 1 م 2 من السطح المحدد للمنتج الأولي ؛ للطحن الرطب - 0.15-0.20 مجم / م 2. تدل الممارسة على أنه يجب اختيار تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي في كل حالة بشكل تجريبي.

في تكنولوجيا SEMs الخزفية ، يمكن تمييز أربعة مجالات لتطبيق السطحي ، مما يجعل من الممكن تكثيف التغيرات والتحولات الفيزيائية والكيميائية في المواد والتحكم فيها أثناء التوليف:

- تكثيف عمليات الطحن الدقيق للمساحيق لزيادة تشتت المادة وتقليل وقت الطحن عندما يتحقق التشتت المحدد ؛

- تنظيم خواص أنظمة التشتت الفيزيائية والكيميائية (المعلقات ، عجائن ، عجائن) في العمليات التكنولوجية. هنا ، تعتبر عمليات التميع (أو انخفاض اللزوجة مع زيادة السيولة دون انخفاض في محتوى الرطوبة) ، وتثبيت الخصائص الريولوجية ، وإزالة الرغوة في الأنظمة المشتتة ، وما إلى ذلك مهمة ؛

- التحكم في عمليات تكوين اللهب عند رش المعلقات عند الحصول على الأبعاد والشكل والتشتت المحدد لعمود الرش ؛

- زيادة ليونة كتل القولبة ، خاصة تلك التي تم الحصول عليها تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة ، وكثافة الفراغات المصنعة نتيجة إدخال مجمع من المواد اللاصقة والملدنات ومواد التشحيم.