Поверхностно-активные вещества

Амфотерные  ПАВ являются одним из самых дорогих  ингредиентов мылящейся основы. Их получают выжимкой, экстракцией, настаиванием, ректификацией и окислением природного сырья (как растительного, так и  животного толка). Наиболее известные сырьевые источники амфотерных тензидов, а именно кокоамфоацетата, лактата, альфа-аминокислот, пектинов, восков, — это мыльнянка, водоросли, мякоть плодов яблони, корнеплоды (свекла, морковь, топинамбур), пальмовое масло, молочные продукты, ланолин.

Даже  элементарные познания в химии дают основания для сомнений в возможности  совмещения в единой формуле катионных  и анионных ПАВ, поскольку противоположно заряженные вещества, попарно притягиваясь друг к другу, уменьшают свое сродство с водой (выпадают в осадок), и, естественно, снижается очищающая активность. Только благодаря амфотерным тензидам эта проблема была разрешена: эти поверхностно-активные вещества благодаря своей способности легко отдавать и присоединять электронную пару проявляют как кислотные, так и основные свойства в зависимости от реакции среды, в которой они находятся (так в щелочной среде они становятся анионами, а в кислотной — катионами).

Свойства амфотерных ПАВ:

Амфотерные  тензиды защищают кожу и волосы от сухости и раздражения, реставрируют роговой слой эпидермиса и кератин волос, смягчают, повышают эластичность соединительной ткани, придают волосам шелковистость, а пене мылящегося вещества — кремообразную текстуру.

Получены  из анионоактивных введением в них аминогрупп или из катионоактивных введением кислотных групп. Такие соединения получают взаимодействием первичного амина и метилакрилата с последующим омылением сложноэфирной группы щелочью. Промышленностью амфотерные ПАВ выпускаются в небольшом количестве, и их потребление расширяется медленно.

4. Неионогенные ПАВ

Соединения, которые растворяются в воде без  образования ионов, называют неионными. Их группу представляют полигликолевые и полигликоленовые эфиры жирных спиртов. Получают неионные ПАВы оксиэтилированием растительных масел (касторовое, ростков пшеницы, льна, кунжута, какао, календулы, петрушки, риса, зверобоя). Неионные ПАВ существуют только в жидкой или пастообразной форме, поэтому не могут содержаться в твердых моющих средствах (мыло, порошки).

Водные  растворы сложных эфиров жирных кислот являют собой дисперсионный мицельный раствор, который часто называют «умным мылом», поскольку он эмульгирует грязь и жир, удаляя их с поверхности кожи и волос, не повреждая защитную мантию.

Свойства неионных ПАВ:

Этот  вид ПАВ привносит моющему  средству мягкость, безопасность, экологичность. Они стабилизируют мыльную пену, обладают мягкими свойствами загустителя, оказывают брадикиназное и полирующее действие, реставрируя наружные слои эпидермиса и волос, способствуют активизации действия лечебных добавок очищающего препарата.

Это наиболее перспективный и быстро развивающийся  класс ПАВ. Не менее 80—90% таких ПАВ  получают присоединением окиси этилена  к спиртам, алкилфенолам, карбоновым кислотам, аминам и другим соединениям с реакционно способными атомами водорода. Полиоксиатиленовые эфиры алкилфенолов — самая многочисленная и распространенная группа неионогенных ПАВ, включающая более сотни торговых названий.

 

Глава 2. Моющее действие ПАВ

 

Моющее действие обусловлено наличием в системе поверхностно-активных веществ, способных создавать вокруг частиц (капель) дисперсной фазы и на очищаемой поверхности так называемый адсорбционно-сольватный защитный слой. Высокая поверхностная активность таких веществ необходима для эффективного диспергирования и отделения загрязнений от очищаемой поверхности (подложки, субстрата). Защитный слой препятствует укрупнению частиц загрязнений, перешедших в моющий раствор, и повторному их налипанию (ресорбции) на отмытую поверхность.

Все свойства ПАВ рассматриваются, как правило, с точки зрения их влияния на моющее действие. Моющее действие характеризуется эффективностью удаления загрязнений с поверхности тканей и твердых поверхностей и определяется:

• природой твердых поверхностей (металл, стекло, пластическая масса)
• состоянием очищаемой поверхности
• природой и структурой ткани
• характером и интенсивностью загрязнения
• свойствами моющих средств и их концентрацией
• степенью жесткости воды, температурой раствора
• силой механического воздействия на очищаемую поверхность
• продолжительностью стирки. 

Природа волокна и его структура оказывают большое влияние на удаление загрязнений с него. Волокна шерсти, например, имеют зазубрины, а волокна натурального шелка, искусственные и синтетические волокна имеют гладкую и ровную поверхность; хлопок обладает волокнистой структурой.  
Прочность удерживания загрязнений на поверхности ткани и возможность их удаления в большой степени зависят от способности волокон к водоудерживанию. Способность удерживания воды в % : амидными волокнами - 13, ацетатным шелком - 27, шерстью - 42, хлопком - 45, вискозным шелком - 95. В такой же последовательности возрастает и трудность удаления загрязнений в процессе стирки.  
Все загрязнения на тканях подразделяются на водорастворимые (сахар, крахмал, мука, соли и органические кислоты фруктов, овощей и др.) и водонерастворимые (глина, уголь, пыль, сажа, цемент, смазочные масла, соли, краски, жиры и др.), хотя, как правило, загрязнения бывают смешанного вида. 

Водорастворимые загрязнения легко удаляются водой. Нерастворимые загрязнения эмульгируются моющими средствами. Жирные кислоты с ионами железа моющего раствора образуют нерастворимые соединения, которые осаждаются на ткани и придают ей стойкий желтый оттенок. Пигментные мелкодисперсные загрязнения особенно трудно удаляются при стирке. 

При стирке важную роль играет качество воды, особенно ее жесткость. В случае применения таких средств, как натуральные мыла в жесткой воде образуются нерастворимые кальциевые и магниевые соли. При этом не достигается требуемое качество стирки и происходит перерасход моющих средств.  
Повышение температуры моющего раствора в ряде случаев увеличивает моющий эффект, поскольку при этом понижается вязкость жировых загрязнений, увеличивается их растворимость, смачиваемость и улучшается их нейтрализация. Однако повышение температуры называет ряд отрицательных моментов: снижение поверхностной активности легкорастворимых ПАВ, устойчивости эмульсий и пены, удорожание стирки; кроме того, для шерсти, шелка и синтетических тканей - повышение износа тканей. 

На эффективность моющего действия, помимо свойств моющих средств, влияет еще и степень механического воздействия. Механическое воздействие при стирке обеспечивает быстрое смачивание ткани, равномерное распределение моющего средства в объеме ванны и удаление загрязнений со всей поверхности ткани. Интенсивное механическое воздействие на ткань особенно эффективно в первые 10 мин стирки, далее эффект снижается. Отношение массы моющего раствора к массе ткани называется водным модулем. Его оптимальное значение для промышленных прачечных - 5, для домашней стирки - 15-20. 

Моющее действие нормальных алкилбензолсульфонатов начинает проявляться у децилбензолсульфоната и возрастает с увеличением гидрофобности молекулы. Однако для соединений С₁₆ - C₁₈ оно уменьшается, для этих веществ повышение температуры положительно сказывается на моющем действии. Разветвление алкильной цепи или перемещение фенильной группы к центру алкильной цепи понижает их моющую способность. По данным литературы, максимальное моющее действие наблюдается у алкилбензолсульфонатов, в том случае, если фенильная группа присоединена к первому или второму углеродному атому алкильной цепи. При низких концентрациях ПАВ наиболее высокую моющую способность проявляют те соединения, у которых фенильная группа располагается у второго или третьего углеродного атома алкильной цепи. Повышение щелочности среды увеличивает моющую способность ПАВ.

В моющем процессе важную роль играет антиресорбционная способность ПАВ.

Моющая способность растворов алкилсульфонатов ниже, чем алкилбензолсульфонатов. У алкилсульфонатов она понижается с перемещением гидрофильной (сульфонатной) группы к середине алкильной цепи. Максимальной моющей способностью обладают алкилсульфонаты с положением сульфогруппы у первого и второго углеродного атома алкильной цепи; соединения с иным положением сульфогруппы обладают меньшей моющей способностью. 

Моющее действие алкилсульфатов зависит от длины и строения углеводородного радикала, места и положения в ней сульфатной группы. Растворы алкилсульфатов низкой молекулярной массы моющим действием не обладают. Оно начинает проявляться у додецилсульфатов и возрастает с увеличением длины алкильной цепи соединений до октадецилсульфата. В жесткой воде моющее действие алкилсульфатов понижается из-за образования нерастворимых кальциевых солей, но в присутствии добавки - триполифосфата натрия - их моющая способность возрастает. Растворы алкилсульфатов с разветвленной углеводородной цепью и удаленной от начала цепи сульфогруппой обладают пониженной моющей способностью. Алкилсульфаты на основе спиртов, полученных гидрогенолизом синтетических жирных кислот (СЖК) и имеющие в алифатической цепи от 12 до 18 углеродных атомов, являются хорошими моющими веществами. Они превосходят по моющему действию все синтетические моющие средства анионного типа и находят широкое применение в производстве CMC в виде порошков, паст, жидкостей и др.

Смесь алкилсульфонатов и алкилсульфатов в соотношении 1:1 обладает значительно большей моющей способностью, чем каждое вещество в отдельности. 

Наряду с алкилбензолсульфонатами, алкилсульфонатами и алкилсульфатами синтезированы новые ПАВ: алкилфосфаты и олефинсульфонаты, обладающие высокой моющей способностью, хорошей растворимостью в воде и высокой биохимической разлагаемостью. 

Растворы катионоактивных аминов обладают умеренной, а алкил-бензилпиридинийхлорид - хорошей моющей способностью. Он широко применяется в CMC. Высоко оцениваются его бактерицидные, антистатические и умягчающие (мягчитель ткани) свойства. 

Водные растворы оксидов алкилдиметиламинов, имеющих в алкильной цепи более 10 атомов углерода, проявляют хорошие поверхностные и моющие свойства, образуют устойчивую пену. Наибольшее проявление этих свойств наблюдается у соединений с 13 атомами углерода в алифатической цепи. Оксиды алкилдиметиламинов совместимы со всеми иными видами ПАВ и не чувствительны к жесткости воды и рН раствора. В смесях с анионоактивными ПАВ они проявляют синергизм моющего действия. Оксиды аминов, действующие смягчающе на волосы и кожу человека, используются в шампунях, косметических и других бытовых моющих средствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Применение

 

ПАВ находят широкое применение в промышленности, в сельском хозяйстве, медицине и быту. Мировое производство ПАВ растет с каждым годом, причем в общем выпуске продукции постоянно возрастает доля неионогенных веществ. Широко используют все виды ПАВ при получении и применении синтетич. полимеров. Важнейшая область потребления мицеллообразующих ПАВ - производство полимеров методом эмульсионной полимеризации. От типа и концентрации выбранных ПАВ (эвульгаторов) во многом зависят технологич. и физико-химич. свойства получаемых латексов. ПАВ используют также при суспензионной иолимеризации. Обычно применяют высокомолекулярные ПАВ - водорастворимые полимеры (воливиниловый спирт, производные целлюлозы, растительные клеи и т.п.). Смешиванием лаков или жидких масляносмоляных композиций с водой в присутствии эмульгаторов получают эмульсии, применяемые при изготовлении пластмасс, кожзаменителей, нетканых материалов, импрегированных тканей, водоразбавляемых красок и т.д.

В производстве лакокрасочных материалов и пластмасс. ПАВ добавляют для  регулирования их реологич. характеристик.

Разнообразные ПАВ применяют для  поверхностной обработки волокнистых (тканых и нетканых) и пленочных  материалов ( как антистатики, модификаторы прядильных р-ров, моющие средства. Среди ПАВ, применяемых как гидрофобизаторы, наиболее перспективны кремнийорганические и фторуглеродные соединения. Последние при соответствующей ориентации молекул в поверхностном слое способны предотвратить смачивание материала не только водой, но и углеводородными жидкостями.

В производстве губчатых резин и  пенопластов ПАВ применяют как стабилизаторы пен. Высокомолекулярные водорастворимые ПАВ, помимо использования в указанных выше технологич. процессах, применяют как флокулянты в различных видах водоочистки. С их помощью из сточных и технологич. вод, а также из питьевой воды удаляют загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии.

Синтетические моющие средства используются для чистки одежды, посуды и прочих вещей в  доме. В прошлом такая чистка занимала много времени, требовала больших  механических затрат и использования  большого количества воды. Современные  ПАВ позволяют уменьшить эти  затраты и повысить качество чистки. ПАВ обладают дезинфицирующими свойствами и широко используются больницами и поликлиниками вместо обыкновенного мыла.

Основное использование ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах. В текстильной промышленности ПАВ используются в основном для снятия статического электричества на волокнах синтетической ткани. В кожевенной промышленности ПАВ защищает кожаные изделия от лёгких повреждений и слипания.