1

3
5
4
6
9
10
2
дударь
Что такое ПАВ

Автор: Николай ВОЛОДИН,
руководитель МУЦ АРУК.
Журнал Cleaning №4, 2011 год

Исключительное большинство химических средств, используемых для уборки, ухода за поверхностями, чистки и стирки, являются многокомпонентными системами. Они могут содержать в своем составе до десятка различных веществ. Основные компоненты этих систем – вода, поверхностно активные вещества, кислоты, щелочи, соли, растворители и др. Поговорим о поверхностно активных веществах (ПАВ) и их участии в процессах уборки, чистки, стирки.

ПАВ – это вещества, которые адсорбируются на поверхности раздела фаз и образуют на ней слой повышенной концентрации. Чаще всего дается более узкое определение ПАВ: поверхностно активные вещества – это группа органических соединений, сорбция которых на границе раздела фаз приводит к снижению поверхностного (межфазового) натяжения. Хотя поверхностную активность проявляют также и неорганические соединения, такие как растворимая форма метосиликата натрия, или «жидкое стекло», используемое в качестве щелочного агента, ингибитора коррозии и клеящего вещества.

Термин «ПАВ» широко применяется в России и других странах СНГ. На Западе для обозначения поверхностно активных веществ применяются другие термины, например «детергенты» (от латинского detergere – очищать, хотя более правильно было бы обозначать этим термином готовое средство) или «тензиды» (от английского tense – натянутый, напряженный).

Так что же представляют собою ПАВ и как они работают в химических очищающих средствах?

Рассмотрим строение молекул «ПАВ». Молекула поверхностно активных веществ состоит из двух частей: гидрофобной цепочки и способного гидратироваться остатка – гидрофильной группы. Схематично молекулу ПАВ можно изобразить так, как показано на рис. 1.

Вследствие такого строения молекулы ПАВ при растворении или диспергировании в жидкости сорбируются на поверхности раздела фаз, проявляя при этом ряд важных с практической точки зрения свойств, а именно: понижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, при достижении определенной концентрации образуют агрегаты молекул (мицеллы), солюбилизируют(1) не растворимые в воде соединения и т.д.

Поверхностно активные свойства этих веществ обусловлены гидрофильной группой.

Классификация ПАВ

Поверхностно активные вещества подразделяют на группы в зависимости от ряда свойств:

  • характера гидрофильной и гидрофобной групп;
  • способности молекул вещества к диссоциации в водных растворах;
  • типа ионов, обуславливающих поверхностную активность.

В 1960 году Международная организация по стандартизации (ISO) рекомендовала применять классификацию, принятую на III Международном конгрессе по ПАВ. Она включает четыре основных класса:

  • анионактивные ПАВ;
  • неионогенные ПАВ;
  • катионактивные ПАВ;
  • амфотерные (амфолитные) ПАВ.

Анионактивные ПАВ. Поверхностная активность этих веществ обусловлена наличием отрицательно заряженного иона (аниона) гидрофильной группы. Они обладают хорошей способностью удалять масляные загрязнения, высоким пенообразованием, легко смываются с очищаемых поверхностей, средства на их основе стабильны. Наиболее известными анионактивными ПАВ являются соли жирных карбоновых кислот, или мыла. К недостаткам этих соединений относятся их взаимодействие с солями жесткости воды. Соли кальция и магния снижают моющую способность анионактивных ПАВ за счет образования нерастворимых в воде солей (кальциевого мыла), являющихся сильными загрязнителями.

Неионогенные ПАВ. При растворении в воде эти вещества не диссоциируют на ионы. Неионогенные ПАВ обладают умеренным пенообразованием, а некоторые из них практически не образуют пены. Они проявляют отличную способность к удалению масляных загрязнений при относительно низких концентрациях. Обладают неплохими диспергирующими свойствами и хорошо стабилизируют дисперсии, предотвращая вторичное осаждение загрязнений на очищаемые поверхности. В очищающих средствах неионогенные ПАВ используются для подавления пенообразования и усиления моющего действия других видов ПАВ. Применяемые совместно с анионактивными ПАВ, они дают синергетический эффект.

Катионактивные ПАВ. При растворении в воде образуют положительно заряженные ионы (катионы). В основном это соли азотсодержащих соединений – соли аминов, четвертичных аммониевых соединений и т.п. Наиболее распространены четвертичные аммониевые соединения (ЧАС). Катионактивные ПАВ обладают слабым моющим действием, но при этом способны разрушать внешние оболочки микроорганизмов. Они трудно смываются с обрабатываемых поверхностей. Эти вещества используются в основном в качестве дезинфектантов, антистатиков и мягчителей тканей.

Амфотерные (амфолитные) ПАВ. Эти вещества в зависимости от рН раствора могут проявлять анионактивные свойства (в щелочной среде) или катионактивные свойства (в кислой среде). Обладают отличными моющими свойствами. Среди амфотерных ПАВ много соединений, проявляющих бактерицидную активность.

Свойства ПАВ

Внешне ПАВ представляют собой жидкости, пасты, твердые воскообразные или кристаллические вещества, которые сравнительно хорошо растворяются в воде. Существуют и не растворимые в воде ПАВ.

Вода обладает высоким поверхностным натяжением (рис. 2). При растворении в ней ПАВ происходит уменьшение поверхностного натяжения. Оно резко уменьшается даже при небольших концентрациях ПАВ (сотые доли грамма вещества в литре раствора). Понижение поверхностного натяжения обусловлено замещением на границе раздела молекул воды менее полярными молекулами ПАВ. При определенной концентрации молекулы поверхностно активных веществ способны образовать на поверхности воды сплошной монослой.

С поверхностной активностью этих веществ, кроме изменения поверхностного натяжения, связаны и другие свойства:

  • способность к пенообразованию;
  • адсорбция на поверхности;
  • смачивание, эмульгирование и солюбилизация.

Высокая моющая способность ПАВ обусловлена тем, что молекулы ПАВ окружают гидрофобные частицы загрязнений, образуя наружный гидрофильный слой, дробят и отрывают загрязнения от очищаемой поверхности. Происходит процесс диспергирования загрязнения, одновременно ПАВ стабилизируют образовавшиеся эмульсии или суспензии, не давая им распадаться, препятствуют вторичному оседанию частиц на очищенную поверхность.

Моющие и технические характеристики ПАВ улучшаются при добавлении к ним других соединений (кислот, щелочей, солей, спиртов, растворителей и т.п.), что широко используется при создании очищающих средств. Так, повышение щелочности среды увеличивает моющую способность ПАВ.

Одной из интересных особенностей ПАВ является способность некоторых из них при смешивании взаимно усиливать действие друг друга, то есть синергизм (от греческого synergos – вместе действующий); вещества, обладающие такой способностью, называются синергисты.

Концентрация ПАВ и качество уборки

Увеличение концентрации ПАВ после достижения предела растворимости приводит к образованию агрегатов, называемых мицеллами (micella – уменьшительное от лат. mica, что означает «крупинка, крошка») (рис. 3).

Концентрация ПАВ, при которой происходит образование мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При достижении области ККМ происходит резкое изменение свойств растворов – поверхностного натяжения, электропроводности, плотности, моющего действия и др.

Максимальные моющие способности большинства ПАВ проявляются при достижении критической концентрацией мицеллообразования. При концентрациях ПАВ в растворах как ниже, так и выше ККМ их моющие способности уменьшаются. А это означает, что и в случае недостатка очищающих средств, и в случае их избытка ухудшается качество уборки.

Избыток очищающих средств приводит также к необходимости длительной промывки обработанных поверхностей большим количеством воды. Следует отметить, что, несмотря на распространенное мнение, способность ПАВ к пенообразованию не влияет на длительность удаления избытка ПАВ с поверхностей. При прочих равных условиях пена является одним из органолептических индикаторов наличия ПАВ на поверхности. Отсутствие вспенивания при промывке водой поверхности, которую мыли с применением низкопенных средств, не означает, что на ней не осталось следов ПАВ, тем более что низкопенные неионогенные ПАВ намного хуже смываются водой с обрабатываемых поверхностей, чем высокопенные анионактивные ПАВ.

При использовании для уборки растворов с избыточным количеством очищающих средств на поверхности осаждается слой поверхностно активных веществ, притягивающий загрязнения. Эффект вторичного загрязнения часто называют «омовение подошв». Особенно этот эффект бывает заметен после чистки ковровых покрытий, когда через несколько часов после окончания полного цикла чистки (после высыхания покрытия) и начала хождения на нем образуются грязные дорожки и пятна.

Для недопущения повторного осаждения частиц загрязнений из жидкой фазы на очищаемую поверхность необходимо, чтобы молекулы ПАВ создали достаточно стабильную дисперсионную систему.

Неионогенные ПАВ обладают лучшей способностью удерживать загрязнения, чем анионактивные ПАВ. Из множества факторов, способствующих удержанию загрязнений, наиболее важными являются:

  • тип и концентрация ПАВ;
  • рН раствора;
  • температура;
  • вид и концентрация добавок.

Как правило, оптимальным стабилизирующим действием обладают растворы ПАВ с концентрацией 1-2 г/л. При этом смеси ПАВ иногда проявляют пониженную способность удерживать загрязнения.

Как происходит процесс очистки

Очистка состоит из ряда сложных физико-химических процессов. К ним относятся: смачивание обрабатываемых поверхностей и загрязнений, адсорбция ПАВ на загрязнениях и очищаемом материале, диспергирование частичек загрязнений, солюбилизация жидких загрязнений, удерживание оторванных частиц во взвешенном состоянии (стабилизация дисперсий). Все эти процессы взаимосвязаны и взаимно обуславливают друг друга. Так, сильное снижение поверхностного натяжения обуславливает высокую смачиваемость, которая, в свою очередь, приводит к более быстрому протеканию адсорбции молекул ПАВ на границе раздела фаз, а скорость адсорбции, в свою очередь, определяет эффективность удаления загрязнений.

На первой стадии процесса определяющими являются способность раствора ПАВ к смачиванию и адсорбция на межфазных поверхностях «раствор – загрязнение», «раствор – очищаемая поверхность».

Смачивание – процесс, происходящий при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела или другой, не смешивающейся жидкостью. Смачивание выражается в растекании (образовании пленки или слоя) жидкости по поверхности твердого тела или другой жидкости, находящихся в контакте с газовой или жидкой фазой (рис. 5). Мерой смачивания поверхностей служит краевой угол смачивания. Смачивание оказывает значительное влияние на процессы уборки. Смачивающие жидкости образуют в капиллярах вогнутые мениски, благодаря чему жидкость может подниматься по капилляру. При отсутствии смачивания образуется выпуклый мениск и имеет место капиллярная депрессия (жидкость не проникает в капилляры). От степени смачивания зависят водопоглощение (впитывание) и время сушки пористых и волокнистых материалов.

Смачивание твердых поверхностей сопровождается выделением тепла. На смачивание влияет и характер поверхности. Смачиваемость шероховатой поверхности гораздо выше, чем гладкой. Шероховатая поверхность несмачиваемого материала более гидрофобна, чем гладкая. Вообще универсальных смачивающих средств не существует, степень смачивания зависит от вида ПАВ, его концентрации, материала очищаемой поверхности и загрязнения.

Адсорбция молекул ПАВ и электролитов на очищаемой поверхности и загрязнениях способствует уменьшению сил сцепления (адгезии) между загрязнениями и поверхностью. За счет адсорбции стабилизируются образующиеся суспензии и эмульсии загрязнений в растворах моющих средств и предотвращается возможность обратного осаждения загрязнений на очищаемые поверхности. Время адсорбции ПАВ на различных материалах зависит от вида ПАВ и материала поверхности. Так, например, адсорбция анионактивного ПАВ на текстильных материалах заканчивается примерно через 3–4 минуты. Значительно медленнее протекает адсорбция на стальных, керамических, полиолефиновых материалах и особенно на кварцевой пыли.

Диспергирование загрязнений заключается в разрушении оторванных от очищаемой поверхности агрегатов на более мелкие и удержании их в жидкой фазе. Диспергирующая способность ПАВ обусловлена двумя факторами: уменьшением поверхностного натяжения на границе «моющий раствор – загрязнение»; возникновением на поверхности частичек и капелек загрязнений адсорбционной пленки ПАВ. Стабилизация дисперсий основана на образовании адсорбционных слоев, удерживающих частицы и препятствующих их коагуляции (слипанию). В этом процессе определенную роль играют также силы отталкивания между одноименно заряженными ионами. Увеличение эффективности моющего процесса происходит и за счет наличия электролитов в растворе. Диспергированные частицы загрязнений при низких концентрациях ПАВ (менее 0,1%) в основном флотируются пеной, при более высоких концентрациях из-за изменения смачиваемости частиц происходит их разрушение (пептизация).

Солюбилизация, или коллоидное растворение практически не растворимых в воде жидких и твердых веществ, происходит во внутренней части мицелл ПАВ. Коллоидные растворы моющих средств, в мицеллах которых содержится нерастворимая органическая фаза, по своему строению и виду аналогичны самопроизвольно образующимся эмульсиям. То есть внешне они очень напоминают молоко.

Эффективность очистки

Эффективность моющего процесса зависит от очень большого числа факторов. Это и свойства самого раствора (состав, концентрация компонентов, температура и т.п.), свойства очищаемой поверхности, характер и интенсивность загрязнений, а также время его пребывания на поверхности. Наверно поэтому до настоящего времени отсутствует теория моющего действия, полностью отражающая все составляющие и элементы моющего процесса.

При очистке масляных (жидких) загрязнений они отрываются от поверхности и переходят в моечный раствор только в том случае, когда жидкая органическая фаза, смачивающая очищаемую поверхность, в результате действия моющего раствора собирается в шарики (глобулы), которые легко отделяются от поверхности и переходят в моющий раствор. Отделению масляных загрязнений от поверхности способствует механическое воздействие.

При удалении твердых загрязнений они смачиваются растворами очищающих средств с образованием адсорбционных оболочек вокруг частичек. При этом молекулы ПАВ проникают в отдельные трещины и поры, имеющиеся в частичках, и разобщают их. Под влиянием сил электростатического отталкивания или под механическим воздействием частички загрязнений диспергируются. Следовательно, суммарная работа, затрачиваемая на удаление загрязнений с поверхности, включает в себя работу, обусловленную физико-химическими явлениями, и механическую работу. Роль ПАВ в моющем процессе сводится к уменьшению вклада необходимых механических усилий для достижения требуемого эффекта. При удалении загрязнений затрачивается энергия на преодоление связи частиц загрязнений с поверхностью, а также связей между частицами.

Важным фактором в процессе удаления загрязнений являются межфазовые взаимодействия на поверхности раздела «загрязнение – воздух – моющий раствор». За счет этих взаимодействий удаляется до 90% загрязнений, имеющих характер тонких масляных пленок.

1 Солюбилизация – коллоидное растворение плохо растворимых в воде веществ за счет образования мицелл ПАВ.

7
8
2020 г. Все права защищены
Проект разработан в ASTYPROduction