Реферат: Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты

Поверхностное натяжение растворителей некоторых типов при 20⁰ C

Тип растворителя	г, мН/м
Спирты Сложные эфиры Кетоны Гликолевые эфиры Сложные эфиры гликолевых эфиров Алифатические углеводороды Ароматические углеводороды Вода	21-35 21-29 23-27 27- 35 28- 32 18-28 28-30 73

С проблемами, связанными с поверхностным натяжением, часто сталкиваются при использовании смол в качестве основного компонента покрытий. Так называемые покрытия с высоким содержанием твердых веществ чрезвычайно чувствительны к загрязнениям и отпечаткам пальцев, поверхностное натяжение которых равно -24 мН/м. Дефекты окрашивания, например рябизна и «кадрирование», чаще всего встречаются именно при использовании покрытий с высоким содержанием твердых веществ.

Вода относится к жидкостям с высоким поверхностным натяжением и, как правило, не подходит для смачивания многих поверхностей. Применение водоосновных красок было бы весьма ограничено, если бы не возможность использовать в их составах поверхностно-активные вещества. Эффективные ПАВ снижают поверхностное натяжение воды до 28-30 мН/м, что соответствует диапазону поверхностных натяжений органических растворителей, применяемых в композициях красок и лаков.

Роль поверхностно-активных веществ: улучшение или ухудшение смачивания и растекания

Из уравнения следует, что растекание жидкости по поверхности твердого тела можно усилить двумя способами. Введение поверхностно-активных веществ может приводить к уменьшению как поверхностного натяжения ylg> так и межфазного натяжения между твердым телом и каплей Ysl, что проиллюстрировано на рис. 5.

Рис. 5. Введение ПАВ в каплю воды на гидрофобной поверхности твердого тела приводит к уменьшению как Ylg, так и Ysl-

Альтернативный способ улучшения смачивания показан на рис. 6. При гидрофилизации поверхности Yslуменьшается, aYsgувеличивается. Оба изменения способствуют улучшению смачивания ).

Если, напротив, требуется сделать гидрофильный материал водоотталкивающим, необходимо минимизировать смачивание. Обычно это достигается гидрофобизацией поверхности. В результате гидрофобизации межфазное натяжение Yslувеличивается, а поверхностное натяжение Ysgуменьшается, причем оба эффекта приводят к уменьшению коэффициента растекания S.

Смачивающие агенты

Смачивание зависит от эффективности снижения поверхностного натяжения в динамических условиях, т. е. по мере растекания смачивающей жидкости по поверхности субстрата поверхностно-активные молекулы должны быстро диффундировать к движущейся границе между жидкостью и субстратом. Следовательно, хорошие смачиватели должны иметь следующие свойства: 1) обладать значительной движущей силой для перехода на межфазную границу твердое тело-жидкость; 2) эффективно снижать поверхностное натяжение; 3) иметь достаточную концентрацию свободных молекул ПАВ, не связанных в мицеллы; 4) быстро двигаться к вновь возникающей поверхности.

Схематически показана гидрофилизация поверхности вследствие адсорбции обычного ПАВ. На практике для модифицирования поверхности чаще используют поверхностно-активные полимеры этим требованиям, хороший смачиватель должен быть поверхностно-активным веществом со сравнительно небольшими и достаточно гидрофобными молекулами. Гидрофобность смачивателя должна быть такой, чтобы это вещество очень слабо растворялось в воде, и в то же время его KKM не должна быть очень низкой. Обычно смачиватели — это ПАВ с разветвленными неполярными радикалами, поскольку такие вещества не так легко образуют мицеллы, как вещества с линейными гидрофобными группами. В промышленных композициях смачивателей используются анионные и неионные ПАВ. Структуры двух распространенных смачивателей приведены на рис. 8.

Рис. 7. Гидрофобизация поверхности приводит к увеличению Yslи снижениюYsg

Недавно была введена концепция «сверхрастекания». «Сверхрастекатель» — это такое поверхностно-активное вещество, которое, будучи добавленным в водные растворы в малых количествах, способно вызывать самопроизвольное и быстрое растекание жидкости по очень гидрофобным поверхностям, например по поверхности твердого парафина. Было показано, например, что скорость растекания по этой поверхности капли 0.1%-ного водного раствора этоксилированного силоксанового ПАВ равна ~ 10 см² /мин при массе капли 0.008 г. Такое быстрое растекание довольно необычно, и механизм действия «сверхрастекателей» полностью еще не выяснен. Обнаружено, что на начальной стадии растекания площадь покрытой поверхности монотонно увеличивается с увеличением весовой концентрации ПАВ и времени. Общая площадь растекания после его завершения пропорциональна концентрации ПАВ в дисперсии. «Сверхрастекатели» обычно очень мало растворимы в воде и особенно эффективно проявляют свои свойства при использовании в составе водных дисперсий. Капля дисперсии, полученной ультразвуковым диспергированием, растекается быстрее, чем капля из дисперсии, полученной простым встряхиванием. В то же время конечная покрытая площадь в обоих случаях практически одинакова. Это свидетельствует о том, что растекание останавливается, когда все ПАВ адсорбируется на поверхности в виде бислоя.

Рис. 8. Два поверхностно-активных вещества, широко используемые в качестве смачивающих агентов: биссульфосукцинат натрия и ацетиленгликоль

Рис. 9. Структура сверхрастекателя на основе силикона

По таким признакам, как быстрое движение к вновь возникающей поверхности и высокие концентрации немицеллярного ПАВ, смачиватели аналогичны пенообразователям.

Гидрофобизирующие агенты