Основы компаундирования и классификация ПАВ

ПАВ веществ друг с другом или с другими соединениями называется компаундированием. При применении ПАВ для солюбилизации можно значительно увеличить солюбилизирующую способность и уменьшить количество используемого ПАВ, если подобрать подходящую комбинацию.

Совместимость с нейтральными неорганическими солями: Добавление растворимых нейтральных неорганических солей к ионным растворам ПАВ увеличивает солюбилизацию углеводородосодержащих веществ. Напротив, солюбилизация полярных веществ снижается.

Совместимость с органическими добавками: как правило, жирные спирты с атомами углерода ниже 12 дают лучшие результаты. Некоторые полиолы, такие как фруктоза, ксилоза, сорбит и т. д., обладают аналогичным действием. Напротив, некоторые короткоцепочечные спирты не только не могут образовывать смешанные мицеллы с ПАВ, но и могут разрушать образование мицелл, например, спирты C1 ~ C6. Полярные органические вещества, такие как мочевина, N-метилацетамид, этиленгликоль и т.д., повышают критическую концентрацию мицелл ПАВ.

Совместимость с водорастворимыми макромолекулами: водорастворимые макромолекулы, такие как желатин, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль и поливинилкетон, оказывают адсорбционное действие на молекулы ПАВ, что уменьшает количество свободных молекул ПАВ в растворе, и критическая мицеллярная концентрация, таким образом, увеличивается.

Основа для компаундирования

Целью соединения ПАВ является достижение аддитивных и синергетических эффектов, т.е. эффектов синергии. То есть различные типы ПАВ искусственно смешиваются, характеристики смеси по сравнению с исходным однокомпонентным продуктом оказываются более высокими, что часто называют эффектом «1+1 > 2».

Например, додецилсульфат натрия, смешанный с небольшим количеством додеканола, амина додеканоильного спирта и других веществ, может улучшить свои пенообразующие, моющие, снижающие поверхностное натяжение, эмульгирующие и другие свойства в составах моющих средств.

Соединение ПАВ может давать аддитивные и синергетические эффекты, которые применяются в реальном производстве, но исследования его основной теории проводятся только в последние годы, а результаты могут служить руководством для прогнозирования аддитивного и синергетического поведения ПАВ с целью получения оптимального эффекта соединения. Тем не менее, исследования в этой области все еще находятся на начальной стадии и в основном сосредоточены на двухкомпонентных системах компаундирования.

В системе компаундирования взаимодействие между молекулами ПАВ различных типов и структур определяет работу всей системы и эффект компаундирования, поэтому изучение взаимодействия между молекулами ПАВ является основой для изучения компаундирования ПАВ.

Параметры межмолекулярного взаимодействия ПАВ

Два наиболее фундаментальных свойства поверхностно-активных веществ – поверхностная адсорбция ПАВ и образование мицелл. Поэтому при синергизме добавок в первую очередь изменяется поверхностное натяжение и критическая концентрация мицелл в системе. Как правило, при соединении двух ПАВ критическая концентрация мицелл в смешанной системе не равна среднему значению их критических концентраций мицелл, но меньше критической концентрации мицелл одного из ПАВ. Причиной этого является взаимодействие между молекулами ПАВ.

Два поверхностно-активных вещества, используемые в комбинации, образуют смешанный мономолекулярный адсорбционный слой на поверхности и смешанные мицеллы внутри раствора. Будь то смешанный мономолекулярный адсорбционный слой или смешанные мицеллы, между молекулами двух ПАВ существует взаимодействие. Форма и размер взаимодействия могут быть выражены параметром межмолекулярного взаимодействия β.

Параметр взаимодействия β между молекулами ПАВ связан со свободной энергией смешивания двух ПАВ, и отрицательное значение β указывает на то, что две молекулы притягиваются друг к другу; положительное значение β указывает на то, что две молекулы отталкиваются друг от друга; значение β, близкое к 0, указывает на то, что две молекулы практически не взаимодействуют друг с другом, что является почти идеальным смешением. Многие ученые путем большого количества экспериментов и расчетов установили, что значение β обычно находится в диапазоне от -2 (слабое отталкивание) до -40 (сильное притяжение).

Факторы, влияющие на параметры межмолекулярных взаимодействий

Большинство смешанных систем имеют отрицательные β-значения, т.е. молекулы двух ПАВ действуют как взаимное притяжение. Это притяжение в основном обусловлено межмолекулярным электростатическим притяжением, которое тесно связано с молекулярной структурой ПАВ и зависит от внешних факторов, таких как температура и электролит.

Влияние ионного типа ПАВ

Величина межмолекулярных взаимодействий между разными типами ПАВ различна, и порядок величины таков: анионно-катионные > анионно-амфотерные > ионно-полиоксиэтилен-нонионные > бетаин-амфотерно-катионные > бетаин-амфотерно-полиоксиэтилен-нонионные > полиоксиэтилен-нонионно-полиоксиэтилен-нонионные.

Поскольку вероятность присоединения и синергизма возрастает с увеличением силы взаимодействия между двумя молекулами ПАВ, наибольшей вероятностью присоединения и синергизма с анионными ПАВ обладают анион-катионные и анион-амфотерные комплексные системы ПАВ. Таким образом, наибольшей вероятностью присоединения и синергизма с анионными ПАВ обладают анион-катионные и анион-амфотерные комплексы ПАВ, а катион-полиоксиэтилен-нонионные и анион-анионные комплексы имеют вероятность присоединения и синергизма только в том случае, если два типа ПАВ имеют определенную структуру

Влияние гидрофобных групп

Величина β становится все более отрицательной с увеличением длины гидрофобной углеродной цепи ПАВ, а параметр взаимодействия между молекулами в смешанном монослое имеет наибольшую величину и наиболее сильное притяжение при равенстве длин углеродных цепей двух ПАВ. Напротив, значение β в смешанных мицеллах увеличивается с ростом суммы длин углеродных цепей.

Влияние среднего значения PH

Типы примеров амфотерных ПАВ в водном растворе зависят от рН среды. Когда рН раствора ниже изоэлектрической точки, он существует в виде катионов, через которые взаимодействует с анионными ПАВ. Поэтому при увеличении щелочности или рН среды амфотерное ПАВ постепенно превращается в электрически нейтральные молекулы или даже отрицательные ионы, и сила взаимодействия с анионным ПАВ уменьшается.

По этой же причине амфотерные ПАВ, которые по своей природе являются менее основными и имеют плохой доступ к протонам, имеют более низкий уровень взаимодействия с анионными ПАВ.

Эффект от добавления неорганических электролитов

Тяньга неорганических электролитов снижает силу межмолекулярного взаимодействия в смешанной системе ионных ПАВ и неионных ПАВ на основе полиоксиэтилена, что свидетельствует о наличии электростатических сил между молекулами этих двух типов ПАВ.

Влияние температуры

Как правило, межмолекулярные силы уменьшаются с повышением температуры в диапазоне 10-40°C.

Значимость параметра взаимодействия β

Параметр взаимодействия β зависит от многих факторов. Поняв значение этого параметра и факторы, влияющие на него, необходимо в дальнейшем использовать его для того, чтобы судить о том, возникает ли эффект соединения после смешивания двух ПАВ, и если возникает аддитивный и синергетический эффект, то какое молярное соотношение между ними дает максимальный аддитивный и синергетический эффект, и как зависит от природы системы. В этом и заключается смысл введения параметра взаимодействия β.

Критерии возникновения аддитивных и синергетических эффектов

Самое основное свойство ПАВ – снижать поверхностное натяжение и образовывать мицеллы, а основным показателем активности ПАВ является изучение степени снижения поверхностного натяжения раствора и величины критической концентрации мицелл. В целом, ПАВ с хорошими характеристиками способны снижать поверхностное натяжение раствора до очень низкой степени и образовывать мицеллы при низкой концентрации.

Снижение поверхностного натяжения

В контексте снижения поверхностного натяжения аддитивный синергетический эффект означает, что сумма концентраций двух ПАВ, необходимых для снижения поверхностного натяжения раствора до определенного уровня, ниже, чем концентрация, необходимая для одного из ПАВ в компаундированной системе в отдельности. Если эта концентрация выше, чем та, которая требуется для одного из ПАВ, то имеет место отрицательный аддитивный синергетический эффект.

Образование смешанных мицелл

Когда водный раствор системы компаундирования образует смешанные мицеллы с критической концентрацией мицелл ниже, чем критическая концентрация мицелл любого из отдельных ПАВ, это называется получением положительного аддитивного и синергетического эффекта; если критическая концентрация мицелл смеси выше, чем любого из отдельных компонентов, то говорят о получении отрицательного аддитивного и синергетического эффекта.

обзор

Если рассматривать снижение поверхностного натяжения и образование смешанных мицелл вместе, то положительный аддитивный и синергетический эффекты означают, что поверхностное натяжение сложной системы из двух ПАВ при критической мицеллярной концентрации смешанных мицелл ниже, чем поверхностное натяжение любого из ПАВ при его критической мицеллярной концентрации, а обратное приводит к отрицательному аддитивному и синергетическому эффектам.

Видно, что введение параметра межмолекулярного взаимодействия позволяет качественно понять взаимодействие между двумя молекулами ПАВ, притягиваются ли они или отталкиваются друг от друга, насколько сильна или слаба сила взаимодействия. Также можно рассчитать и определить, производят ли два ПАВ эффект соединения после смешивания по соответствующей формуле, и определить состав системы соединения, т.е. соотношение двух ПАВ, при котором достигается максимальный аддитивный эффект, что дает теоретическое руководство для применения соединения ПАВ.

Системы компаундирования ПАВ

Помимо снижения поверхностного натяжения и образования мицелл, в практическом применении ПАВ играют множество важных ролей, таких как промывка, вспенивание, солюбилизация и смачивание. До сих пор не существует зрелого теоретического руководства по аддитивным и синергетическим эффектам в этих аспектах, но был обобщен некоторый опыт практического применения, т.е. аддитивные и синергетические эффекты часто связаны с уменьшением поверхностного натяжения или образованием мицелл в определенной степени.

Комплексная система анионно-анионных ПАВ

Такая система компаундирования, если она дает аддитивный и синергетический эффект, приводит к снижению поверхностного натяжения, увеличению моющей способности, детергентности, смачивания и эмульгирования, а также к снижению точки Крафта. Однако следует отметить, что компаундирование данной системы будет давать аддитивный и синергетический эффект только в том случае, если она имеет определенную структуру.

Система соединения анионно-катионных ПАВ

Сила межмолекулярного взаимодействия анионного и катионного ПАВ сильнее, их комплексная система в снижении поверхностного натяжения, образовании смешанных мицелл показала сильный плюс и синергетический эффект, в смачиваемости, стабилизации пены и эмульгирующих свойствах и других аспектах большего улучшения. В настоящее время такая система соединения широко используется для мягкой и антистатической обработки волокон и тканей, стабилизации пены и эмульсии.

Однако следует отметить, что при соединении этих двух типов ПАВ легко образуются нерастворимые соли, выпадающие в осадок из раствора, что приводит к потере поверхностной активности, поэтому к выбору вида ПАВ следует подходить тщательно.

Комплексная система анионно-амфотерных ПАВ

Способ действия двух молекул ПАВ в этой системе связан с кислотностью и щелочностью среды, при этом максимальная высота пены и максимальный аддитивный и синергетический эффект зависят от характера сниженного поверхностного натяжения.

Система компаундирования анионно-неионных ПАВ

Такие сложные системы могут либо увеличивать, либо уменьшать солюбилизирующий эффект мицелл. Возникновение различных солюбилизирующих эффектов связано с взаимодействием двух молекул ПАВ и формой смешанных мицелл. Обычно считается, что когда углеводородная цепь неионогенных ПАВ длиннее, а количество этиленоксидных добавок меньше, смешанные мицеллы легко образуются при соединении с анионными ПАВ. Когда углеводородная цепь короче, а количество добавок этиленоксида больше, легко образуются два типа мицелл, богатые анионами ПАВ и богатые неионами ПАВ, и они сосуществуют в растворе.

Система компаундирования катионных неионных ПАВ

Добавление неионогенного ПАВ в раствор катионного ПАВ приводит к значительному снижению критической концентрации мицелл. Это происходит в результате взаимодействия ионных групп катионного ПАВ с полярными полиоксиэтиленовыми группами неионогенного ПАВ.

Система компаундирования неионогенных ПАВ

Большинство полиоксиэтиленовых неионогенных ПАВ сами по себе являются смесью, их свойства и одного вещества имеют большую разницу, обычно это одна и та же гидрофобная группа, количество этиленоксида при добавлении двух неионогенных ПАВ схоже со смешиванием идеального раствора, легко образуются мицеллы, а гидрофильность смеси равна среднему значению двух веществ, когда количество двух ПАВ при добавлении этиленоксида и гидрофильность отличаются больше, гидрофильность смеси выше среднего значения двух. Когда разница между количеством добавок этиленоксида и гидрофильностью двух ПАВ велика, гидрофильность смеси выше среднего значения двух веществ, а маслорастворимые сорта могут увеличить растворимость в мицеллах водорастворимых ПАВ.

Одним словом, когда соединение дает аддитивный и синергетический эффект, различные свойства поверхностно-активных веществ улучшаются и усиливаются. С углублением теории в этой области их применение будет становиться все более широким и играть все большую роль в различных областях народного хозяйства.

* Отказ от ответственности: Содержимое этой статьи взято из Интернета, публичного номера WeChat и других публичных каналов, мы сохраняем нейтральное отношение к взглядам, выраженным в статье. Эта статья предназначена только для ознакомления и общения. Авторские права на воспроизведенную рукопись принадлежат автору и организации, в случае их нарушенияДля удаления свяжитесь с компанией Jetson Chemical