Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты
Рис. 7. Гидрофобизация поверхности приводит к увеличению Ysl и снижению Ysg
Недавно была введена концепция «сверхрастекания». «Сверхрастекатель» — это такое поверхностно-активное вещество, которое, будучи добавленным в водные растворы в малых количества
х, 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
В качестве примеров гидрофобизирующих агентов в порядке возрастающей эффективности можно привести парафины, силиконы, силаны и фторированные углеводороды. В качестве гидрофобизирующих агентов часто используют также катионные ПАВ. На рис. 10 приведена структура наиболее распространенного силиконового масла — полидиметилсилоксана. Конформация силикона на поверхности такова, что силоксановая основная цель взаимодействует с поверхностью, а метальные группы ориентированы наружу. Как уже упоминалось, обработка поверхности силиконом приводит к эффективному метилированию поверхности. Из таблицы 2 следует, что метальные группы обеспечивают поверхности чрезвычайно высокую гидрофобность.
На рис. 11 приведена структура стекла, поверхность которого гидрофобизирована дихлордиметилсиланом. Дихлордиметилсилан, как и другие силаны, является эффективным гидрофобизатором для поверхностей минералов, содержащих силанольные группы. Как и в случае силиконов, обработка поверхности силанами приводит к ее эффективному метилированию.
Рис. 10. Полидиметилсилоксан — типичный гидрофобизирующий агент
Рис. 11. Поверхность стекла или кремнезема, обработанная дихлордиметилсиланом
Поскольку волокна бумаги и текстиля заряжены отрицательно, для придания им водоотталкивающих свойств обычно используют катионные ПАВ. При этом ПАВ обеспечивают также эффект ослабления связей, заключающийся в значительном понижении притяжения между волокнами. Четвертичные аммониевые соединения с двумя углеводородными цепями С16-С18 и двумя метальными заместителями у атома азота наиболее часто применяются для мягчения текстиля. Однако в целях защиты окружающей среды ПАВ должны обладать высокими скоростями биоразложения, поэтому традиционные устойчивые к гидролизу диалкильные четвертичные аммониевые соединения в значительной степени заменены на сложноэфирные производные аналогичной структуры. Структуры ПАВ обоих типов были приведены на рис. 1.10.
Можно ожидать, что для гидрофобизации поверхности требуется создать на ней плотноупакованный слой гидрофобизирующего агента, обеспечивающий полное покрытие поверхности. Однако недавно проведенные исследования механизма гидрофобизации показали, что достаточно частичного покрытия поверхности гидрофобизирующим агентом для обеспечения несмачивания ее водой. Вода не будет растекаться по поверхности, частично покрытой гидрофобными доменами. Во многих случаях оказывается, что для обеспечения этого эффекта достаточно модифицировать 10-15% поверхности. В этом, по-видимому, заключается причина того, что гидрофобизирующие агенты оказываются эффективными уже в минимальных количествах.
Измерение краевых углов
Краевой угол капли жидкости на плоской поверхности твердого тела обычно измеряют гониометрически либо на капле, находящейся на горизонтальной плоскости, либо на газовом пузырьке, подведенном к межфазной границе твердое тело-жидкость.
Краевой угол контакта отсчитывается с помощью объектива микроскопа при прямом наблюдении угла. В результате действия гравитационных сил форма сравнительно крупных капель отличается от строго сферической, что используется в одном из методов измерения поверхностного натяжения.
Измерения краевых углов методом сидящей капли или адгезированного пузырька в настоящее время автоматизированы и компьютеризированы, что позволяет определять значения краевых углов с высокой воспроизводимостью. Современные быстродействующие компьютеризированные приборы позволяют определять краевые углы на проницаемых подложках. Использование приборов, регистрирующих данные со скоростью нескольких сотен в секунду, позволяет измерять эффективный краевой угол капли на бумаге с большой абсорбционной способностью как функцию времени. При экстраполяции кинетических зависимостей к нулевому времени можно определить краевой угол бумаги до начала всасывания капли. В этом состоит полезный способ определения влияния на свободную поверхностную энергию различных добавок, используемых в производстве бумаги. Пример подобного эксперимента приведен на рис. 13.
Рис. 12. Измерение краевого угла с использованием сидящей капли или адгезированного пузырька
Очень простой метод измерения контактных углов, пригодный для скрининга, состоит в измерении диаметра капли стандартного объема, нанесенной на поверхность. Краевой угол рассчитывается из следующего уравнения:
где V— известный объем капли, а — измеряемый радиус капли. Таблица корреляций значений со значениями 2а дана в литературе для капель объемом 10 мкл 171-179). При определении краевых углов важно проводить измерения сразу после нанесения капли на поверхность. Испарение воды приводит к сжатию капли и изменению краевого угла.
Скачать реферат