Поверхностно-активные вещества

По химическому строению и некоторому сходству свойств АмПАВ  делят на 5 основных групп:

1. Алкиламинокарбоновые кислоты  RNH(CH₂)nСOOH; алкильный радикал амина обычно норсальный (прямоцепочечный), но если он расположен между аминной группой и карбоксильной, иногда имеет разветвленный характер. К этой же группе относят  алкил-

аминофенилкарбоновые  кислоты RNHC₆H₄COOH; алкиламинокарбоновые кислоты с первичной, вторичной или третичной аминогруппой RCH(NH₂)COOH, RCH(NHR’)COOH, R(CH₃)NCH₂COOH; с промежуточной гидроксильной, эфирной, сложноэфирной, амидной или сульфамидной группой, вещества с двумя и более амино- и амидогруппами, с несколькими амино- и гидроксильными группами.

2.  Алкилбетаины   представляют  собой  наиболее  важную группу  цвиттерионных    АмПАВ. Их можно разделить на 5 основных  групп: а)   алкилбетаины - С-алкилбетаины    RCH[N⁺(CH₃)₃]COO^-    и   N-алкилбетаины     RN⁺(CH₃)₂CH₂COO;   б)  сульфит-,    сульфо-,   сульфат-    и     фосфатбетаины       RN⁺(CH₃)₂CH₂CH₂OSO₂^-,        RN⁺(CH₃)₂CH₂CH₂SO₂^-, RC₆H₄CH₂N⁺(CH₃)₂CH₂CH₂OSO₃^-,    N⁺(CH₃)₂CH₂CH(OH)CH₂OPO₃^-;   в)   амидобетаины  RCONH(CH₂)₃N⁺(CH₃)₂COO^-;   г)    оксиэтилированные бетаины RN⁺[(C₂H₄O)_pН][(C₂H₄O)_gН]CH₂COO^-;   д)  другие цвиттер-ионные ПАВ.

3. Производные алкилимидозалинов,  в молекулах которых анионные  и катионные группы   имеют   примерно   одинаковые   константы   ионизации  (формулы 1.7 и 1.8 ),  где R - алкил, С₇ - С₁₇, R’ - H, СН₂СООМ (М - металл). По структуре и методам синтеза выделяют бетаиновые ПАВ, включающие карбокси-, сульфо-, сульфат- или сульфоэфирную группу (формула 1.9); R’= (CH₂)nCOO^-, (CH₂)₃SO₃^-, CH₂CH(OH)CH₂OSO₃^- и прочие «небетаиновые» имидозалиновые ПАВ (формула 1.10); R’=CH₂COONa, (CH₂)₂N(CH₂COO)₂, (CH₂)₂N=CHC₆H₄SO₃H, (CH₂)₂OSO₃H. Сбалансированность неионизированных групп обеспечивает этим соединениям хорошие коллоидно-химические и санитарно-гигиенические свойства.

4. Алкиламиноалкансульфонаты  и сульфаты (АААС₁ и АААС₂ соответственно). Анионно-ориентированные вещества легко переходят в цвиттер-ионную форму, что позволяет выделять их в чистом виде. Константа ионизации кислотной группы гораздо больше, чем основной, поэтому их применяют в щелочной среде. Однако в случае нескольких основных групп и при наличии рядом с кислотной группой других гидрофильных групп эти вещества по свойствам и областям применения сходны с амфолитными      ПАВ и  обладают бактерицидным действием. В зависимости от констант ионизации   можно   выделить     соли  АААС₁-RN(R’)-R’’-SO₃M,   AAAC₂ - RN(R’)-R’’-OSO₃M, производные ароматических аминосульфокислот RR’N-Ar-SO₃M, аминосульфонаты с атомом N в гетероциклах (формула 1.11); аминофосфаты и аминофосфонаты и другие аминосоединения: соединения типа RR’R’’P(O)(OH)₂, RR’R’’OP(O)(OH)₂, где R и R’ - длинный и короткий углеводородные радикалы, R’’ - короткий двухвалентный радикал; соединения RN(CH₂CH₂SO₃Na)₂. Их отличие - хорошая способность диспергировать кальциевые мыла и устойчивость к солям жесткости воды.

5. Полимерные АмПАВ:  природные (белки, нуклеиновые кислоты и т. п.); модифицированные природные (олигомерные гидролизаты белков, сульфатированный хитин); продукты ступенчатой конденсации аминов, формальдегида, альбумина, жирных кислот; производные целлюлозы, полученные введением карбоксильных и диэтаноламиноэтильных групп; синтетические, в молекулах которых сочетаются структурные особенности всех приведенных выше групп АмПАВ (формулы 1.12-1.16).

 

 

 

 

 

(1.7)                 (1.8)

 

 

 

 

                  (1.9)                  (1.10)

 

 

 

 

 

11. (1.12)

 

 

 

 

 

                                                                                                                                         n

 

    (1.13)                                      (1.14)

 

 

 

                                  

             (1.15)                                                                                            (1.16)

3. Применение ПАВ

 

Применение ПАВ определяется их поверхностной активностью, структурой адсорбционных слоев и объемными  свойствами растворов. ПАВ обеих  групп (истинно растворимые и  коллоидные) используют в качестве диспергаторов при измельчении  твердых тел, бурении твердых пород (понизители твердости), для улучшения смазочного действия, понижения трения и износа, интенсивности нефтеотдачи пластов и т.д. Другой важнейший аспект использования ПАВ - формирование и разрушение пен, эмульсий, микроэмульсий. Широкое применение ПАВ находят для регулирования структурообразования и устойчивости дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой (водной и органической).

Вот основные направления  использования поверхностно-активных веществ.

• Большая часть производимых ПАВ используется в составе моющих средств, в производстве тканей и изделий на основе синтетических и природных волокон. К крупным потребителям ПАВ относятся нефтяная, химическая промышленности, промышленность строительных материалов и ряд других.
• Значительное количество ПАВ расходуется для бурения с глинистыми растворами и обратимыми эмульсиями вода/масло. Для регулирования агрегативной устойчивости и реологических характеристик растворов применяют высокомолекулярные ПАВ - водорастворимые эфиры целлюлозы, полиакриламид и другие, в эмульсии входят кальциевые соли природных и синтетических жирных кислот (С₁₆-С₁₈ и выше), алкилароматические сульфонаты, алкиламины, алкиламидоамины, алкилимидазолины.
• Катионактивные ПАВ, кроме их общего назначения, нашли широкое использование для формирования трехкомпонентных соединений при определении различных элементов.
• АмПАВ, вследствие низкой токсичности и высокой биоразлагаемости, нашли широкое применение для получения косметических препаратов.
• Вещества со структурой ПАВ широко используются как ингибиторы кислотной коррозии (ИКК) при добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья, включая и газовый конденсат с высоким содержанием сероводорода. К таким ИКК относятся Сепакорр-5427, Додиген-44821, ИКБ-2-2, Виско 904-NIK; Секангаз-9Б и ряд других.
• ПАВ используются для повышения нефтеотдачи пластов посредством мицеллярного заводнения (оксиэтилированные алкилфенолы и спирты, алкилароматические сульфонаты).
• ПАВ применяются как антиокислительные, противозадирные и другие присадки в производстве минеральных масел (мыла синтетических жирных кислот, нефтяные сульфонаты, оксиэтилированные спирты) и пластических смазок (производные фенолов, акриламины, акрил- и арилфосфаты).
• ПАВ способствуют регулированию смачивания при флотации железных и марганцевых руд (мыла синтетических и природных жирных кислот, высшие алифатические амины), руд редких металлов (алкиларсоновые и алкилфосфоновые кислоты, алкилароматические сульфонаты).
• Эмульсионная полимеризация, связанная с получением полистирола и других виниловых полимеров, требует использования карбоксиметилцеллюлозы, винилового спирта, солей синтетических жирных кислот, алкилсульфатов, оксиэтилированных спиртов и алкилфенолов.
• Широко используются ПАВ при производстве химических волокон (оксиэтилированные амины и амиды, проксанолы и проксамины, высшие спирты и кислоты).
• Механическая обработка металлов также связана с использованием ПАВ. Происходит адсорбционное понижение прочности, повышение скоростей резания, строгания, фрезерования (мыла синтетических и жирных кислот, акрилароматические сульфонаты, оксиэтилированные спирты).
• ПАВ нашли широкое использование в промышленности строительных материалов для улудшения механических и реологических свойств бетонных смесей за счет адсорбционного регулирования компонентов (эфиры синтетических жирных кислот, сульфонаты, алкиламины, алкилсульфаты, оксиэтилированные жирные кислоты).
• ПАВ - полиэлектролиты - продукты неполного гидролиза полиакронитрила, продукты амидирования полиакриловой и полиметакриловой кислот, используются для улучшения структуры почв с целью предотвращения эрозии.

 

1.4.                                                Литература

 

 

1.   Воюцкий С.С.  Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975.

2.   Фридсберг Д.А. Курс коллоидной  химии. Л.: Химия, 1974.

3.   Фролов Ю.Г. Курс коллоидной  химии. Поверхностные явления  и дисперсные системы. М.: Химия, 1982.

4.    Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия.  М.: Изд-во МГУ, 1982.

5.    Грег С., Синг К. Адсорбция,  удельная поверхность, пористость / Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

6.    Химическая энциклопедия. В 5-ти томах. Том 3. М.: Советская  энциклопедия, 1990.

7.   Абрамзон А.А., Зайченко  Л.П., Файнгольд С.И. Поверхностно-активные  вещества. Л.: Химия, 1988.