7.9.4. Свойства и рецептуры газожидкостных смесей Основные представления о пав-пенообразователях

Молекула ПАВ состоит из гидрофобной части и способного гидротироваться остатка – гидрофильной группы. Гидрофильными группами в молекуле ПАВ могут быть карбоксильная, сульфатная, гидроксильная, сульфонатная, полиэфирные, многократно повторяющиеся группы, содержащие азот и другие элементы. К гидрофобной части относятся углеводородные радикалы, ароматические, циклические и смешанные группы. Молекула ПАВ может состоять одновременно из нескольких гидрофильных и гидрофобных групп, одинаковых или отличающихся друг от друга. Вследствие такого строения молекулы ПАВ при растворении или диспергировании в жидкости сорбируются на поверхности раздела фаз, проявляя при этом ряд определяющих свойств: способность понижать поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-газ и жидкость-жидкость, образовывать агрегаты молекул (мицеллы) при определенной концентрации вещества и стабилизировать нерастворимые в воде соединения.

Поверхностно-активные вещества с точки зрения их диссоциации в водных растворах делятся на анионактивные, катионактивные и неионогенные, а также амфотерные (амфолитные).

Анионактивные. Поверхностная активность этих веществ в растворах обусловлена анионами. К числу анионактивных ПАВ относятся щелочные соли жирных кислот (мыла), алкилсульфаты, алкиларилсульфонаты щелочных металлов и др.

Катионактивные. Поверхностная активность этих веществ определяется катионами. Этот класс соединений включает соли аминов, четвертичные аммониевые соли, алкилпиридиновые соли.

Неионогенные. В водных растворах эти вещества не диссоциируют на ионы. Их растворимость зависит от сродства к воде функциональных групп, а поверхностная активность обусловлена дифильным строением молекулы. К таким веществам относятся оксиэтилированные жирные спирты и кислоты, оксиэтилированные фенолы, а также оксиэтилированные амиды, амины.

Амфотерные или амфолитные. Эти вещества в зависимости от рН раствора могут проявлять анионактивные свойства (щелочная среда) или катионактивные (кислая среда). Подобными свойствами обладают алкиламинокислоты, сульфитобетаины, некоторые полидиметилсилоксаны и некоторые другие вещества.

При введении в жидкость растворимых веществ, молекулы которых отличаются от молекул растворителя силами взаимного притяжения, поверхностные слои обогащаются одним из компонентов раствора. Это явление, называемое адсорбцией, наблюдается, когда молекулы обладают дифильным (электрически двухполярным) строением, причем одна или несколько групп имеют сродство к той фазе, в которой они растворены или диспергированы, а другие группы отталкиваются от молекул растворяющей среды.

Для веществ, обладающих высокой поверхностной активностью, концентрация ПАВ в поверхностном слое даже в случае сильно разбавленных растворов в десятки раз превышает их концентрацию в объеме раствора.

При изучении электропроводности растворов моющих веществ был сделан вывод о том, что в их водных растворах наряду с ионами и молекулами находятся большие заряженные агрегаты – мицеллы. Явление мицеллообразования присуще всем группам ПАВ.

Изменение структуры раствора, связанное с образованием мицелл, происходит при достижении определенной концентрации вещества, характерной для каждого вида ПАВ и называемой критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). В области ККМ резко изменяются свойства растворов ПАВ: поверхностное натяжение, электропроводность, плотность, моющее действие.

По способности давать устойчивые пены пенообразователи делятся на два типа.

Пенообразователи первого рода. Это вещества (низшие спирты, кислоты, анилин, крезолы), молекулы которых в объеме раствора и в адсорбционном слое находятся в молекулярно-дисперсном состоянии. Пены с пенообразователями первого рода быстро распадаются по мере истечения междупленочной жидкости. Стабильность пен увеличивается с повышением концентрации пенообразователя, достигая максимального значения до насыщения адсорбционного слоя, и затем падает почти до нуля.

Пенообразователи второго рода (мыла, синтетические ПАВ). Эти вещества образуют в воде коллоидные системы, пены из которых обладают высокой стабильностью. Истечение междупленочной жидкости в таких метастабильных пенах в определенный момент прекращается, а пенный каркас может сохраняться длительное время при отсутствии разрушающего действия внешних факторов (вибрация, испарение, пыль). Такие системы обладают потенциальным энергетическим барьером, противодействующим разрушению и обеспечивающим системе состояние равновесия.

Стабилизация пленок пенообразователя обусловлена следующими факторами: кинетическим действием, сводящемся к замедлению утончения пленок, повышением структурно-механических свойств адсорбционно-сольватных слоев, а также термодинамическим фактором (расклинивающее давление).

При отсутствии четких критериев предсказания пенообразующих свойств при выборе ПАВ следует руководствоваться справочными данными.