1.2. Механизм действия моющих ПАВ

Особенность строения молекулы ПАВ, состоящей из гидрофобной и гидрофильной частей, обусловливает его специфические свойства, которые эффективно используются в процессе отмывания загрязнений. Рассмотрим главные из свойств, определяющие практическое назначение и применение ПАВ.

1.2.1. Строение молекул и поверхностная активность

Поверхностно-активные вещества обладают способностью адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать их поверхностное натяжение. Величина поверхностного натяжения жидкостей сильно влияет на скорость и полноту удаления загрязнений с очищаемой поверхности. Каждая молекула ПАВ, находящаяся в жидкости, испытывает притяжение со стороны всех окружающих ее молекул, и равнодействующая этих сил равна нулю. Молекулы, находящиеся на поверхности, обладают избыточной (нескомпенсированной) энергией и стремятся уйти с поверхности вглубь, тем самым сжимая поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение - мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазовом) слое; измеряется в Н/м, Дж/м² или эрг/см². Поверхностное натяжение воды составляет 72,8 мН/м при 20 °С, большинства органических растворителей - от 20 до 60 мН/м.
Известно, что чем выше поверхностное натяжение жидкости или раствора, тем труднее отмываются загрязнения. Поверхностно-активные вещества обладают свойством понижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело.
Поверхностно-активные вещества - это, как правило, органические соединения, молекулы которых содержат атомные группы, сильно различающиеся по силе взаимодействия с растворителем, например с водой. Так, в молекулах ПАВ имеются лиофильные и лиофобные (обычно гидрофильные и гидрофобные) группы. Слабое взаимодействие с водой гидрофобных групп вызывает стремление молекулы перейти из водной среды в углеводородную, гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу в водной среде.
Таким образом, поверхностная активность молекулы обусловливается гидрофобными радикалами, а растворимость в воде - гидрофильными группами. Ионные ПАВ диссоциируют в воде на ионы, один из которых обладают адсорбционной (поверхностной) активностью, поэтому они накапливаются в поверхностном слое, другие (противоионы) не обладают ею, поэтому они уходят в раствор. Таким образом, проявление поверхностной активности моющих веществ обусловлено дифильностью молекулы ПАВ.
Адсорбция гидрофильных групп молекул ПАВ на поверхности раздела фаз (на поверхности загрязнения) вызывает понижение поверхностного натяжения, что и обеспечивает перевод загрязнений в раствор, т. е. отмывку загрязнений с ткани или другой поверхности. На этом, собственно, и основано применение ПАВ в CMC.
Различные ПАВ неодинаково понижают поверхностное натяжение растворов. Так, в случае линейных алкилбензолсульфонатов поверхностное натяжение уменьшается при увеличении концентрации ПАВ; кроме того, оно меньше для алкилбензолсульфонатов с фенильной группой, смещенной к середине алкильной цепи. Для алкилбензол-сульфонатов с разветвленной алкильной цепью поверхностное натяжение ниже, чем для таковых с нормальной алкильной цепью. Высокой поверхностной активностью обладают алкилсульфонат. типа додецилсульфонатов, вторичные алкилсульфонаты, меньшей - первичные; у последних она возрастает по мере возрастания молекулярной массы и максимального значения достигает у гексадецил- и окта-децилсульфоната натрия. В случае алкилсульфатов поверхностное натяжение уменьшается по мере увеличения концентрации их в растворе, но до определенного предела, за которым оно остается постоянным. Поверхностная активность алкилсульфонатов повышается также при увеличении длины их углеводородной цепи, перемещении сульфатной группы к середине молекулы и разветвлений молекулы.
Катионактивные ПАВ, содержащие не менее десяти углеродных атомов в алкильной цепи, проявляют специфические поверхностно-активные свойства. В водных и неводных растворах четвертичные соли аммония, содержащие хотя бы один длинноцепочный радикал (R > С₁₀), снижают поверхностное натяжение, ускоряют смачивание, способствуют пенообразованию, эмульгированию и диспергированию. В отличие от других ПАВ их поверхностно-активные и иные свойства обусловлены строением катлона, где гидрофильной частью является положительно заряженный атом азота, а гидрофобной - углеводородные и другие радикалы, присоединенные к азоту.
Катион аммония прочно адсорбируются на отрицательно заряженных твердых поверхностях: силикатных материалах, стекле, металлах и их рудах, пластмассах, белковых и целлюлозных волокнах и т. д. Адсорбированные молекулы удерживаются посредством электростатического притяжения между отрицательно заряженными группами поверхности материала и положительно заряженным азотом. Адсорбция четвертичных солей аммония на твердой поверхности защищает ее от коррозии и придает антистатические свойства металлическим, пластмассовым, текстильным и другим материалам. Бактерицидная и фунгицидная активность катионоактивных ПАВ обусловливается адсорбцией молекул четвертичных солей на отрицательно заряженных участках клеток бактерий и водорослей, что нарушает у них обмен веществ и приводит к гибели. Катион четвертичного аммония способен соединяться с анионами различного состава и анионными комплексами ряда тяжелых и трансурановых металлов. Эти свойства используются в горно-рудной и атомной промышленности для очистки и выделения из руд ценных металлов.
Из солей четвертичного пиридиния с бензольным радикалом наиболее широко известен катапин (алкилбензилпиридинийхлорид). Он представляет собой светло-коричневую пасту, хорошо растворимую в воде. Катапин обладает хорошей поверхностной активностью, смачивающей, пенообразующей и эмульгирующей способностями, бактерицидными свойствами, высокой ингибирующей способностью. Применяется в нефтяной промышленности в качестве ингибитора, в пищевой -в составе бактерицидных CMC для мойки посуды и в строительном деле.
Поверхностной активностью обладают оксиды третичных аминов -продукты реакции третичных аминов и пероксида водорода. Это бесцветные кристаллические вещества, обладающие хорошей гигроскопичностью; трудно поддаются сушке (за счет образующейся с водой водородной связи). Безводные оксиды аминов термически неустойчивы, плавятся и разлагаются при температуре от 60 до 120 °С, легко растворяются в воде с образованием вязких сиропообразных жидкостей. Особенностью оксидов аминов является их двойственное поведение в водных растворах. В щелочных, нейтральных и слабокислых растворах они ведут себя как неионогенные ПАВ, а в Сильнокислых растворах - как катионоактивные ПАВ.
Амфолитные ПАВ обладают хорошей поверхностной активностью; поверхностное натяжение их растворов минимально при рН, соответствующем их изоэлектрическим точкам.
Введение электролитов в моющий раствор и увеличение температуры значительно понижают поверхностное натяжение.