Поверхностно-активные вещества в краске

Краска состоит из четырех основных компонентов: пигментов , связующих веществ, растворителей и добавок. Пигменты придают краске цвет, текстуру, прочность, а также определяют, является ли краска непрозрачной или нет. Обычные белые пигменты включают диоксид титана и оксид цинка . Связующие вещества являются пленкообразующими компонентами краски при высыхании и влияют на долговечность, блеск и гибкость покрытия. Полиуретаны, полиэфиры и акрилы являются примерами распространенных связующих. Растворитель — это среда, в которой все остальные компоненты краски растворяются и испаряются по мере высыхания и отверждения краски. Растворитель также изменяет скорость отверждения и вязкость краски в жидком состоянии. Существует два типа красок: краски на основе растворителей и краски на водной основе. В красках на основе растворителей в качестве основного носителя твердых компонентов в составе краски используются органические растворители, тогда как в красках на водной основе в качестве непрерывной среды используется вода. Добавки, входящие в состав красок, представляют собой широкий спектр веществ, оказывающих существенное влияние на свойства краски и конечного покрытия. Обычными добавками к краскам являются катализаторы, загустители, стабилизаторы, эмульгаторы, текстуризаторы, биоциды для борьбы с ростом бактерий и т. д.

Слово поверхностно-активное вещество является сокращением от поверхностно-активного вещества . ^[1] Поверхностно-активные вещества — это соединения, которые снижают поверхностное натяжение жидкости, межфазное натяжение между двумя жидкостями или межфазное натяжение между жидкостью и твердым телом. В растворах такое поведение известно как смачивание и происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на границе раздела воздух/вода. ^[2] Растворимые ПАВ также способны образовывать в растворе мицеллы и другие агрегатные структуры, что приводит к стабилизирующему эффекту латексных красок. Поверхностно-активные вещества в красках используются для изменения многих конечных свойств высохшей краски, а также для эмульгирования красок в жидком состоянии.

Роль поверхностно-активных веществ в краске

% TiO ₂ по объему	Модуль упругости (МПа)	Модуль упругости с удаленным поверхностно-активным веществом (МПа)
0	8.9	6.0
13	22.9	22.4
25	60.2	89.1
38	169.8	416.8
На эластичность латексной краски влияет наличие ПАВ. ^[3] Обратите внимание на изменение эффекта в зависимости от TiO _2. концентрация.

Положительные эффекты

Поверхностно-активные вещества влияют на широкий спектр физических свойств красок. ПАВ влияют на поведение краски не только в течение срока службы образовавшегося покрытия, но и на начальную агрегацию и пленкообразование краски. Поверхностно-активные вещества также используются для стабилизации дисперсии полимерных частиц во время эмульсионной полимеризации в красках и других применениях. Механическая стабильность, устойчивость к замораживанию и срок хранения красок улучшаются за счет добавления поверхностно-активных веществ. Добавление в краску поверхностно-активных веществ также позволяет краске легче покрывать поверхность, поскольку поверхностно-активные вещества увеличивают смачивание раствора. ^[4]

Негативные эффекты

Добавление ПАВ не всегда положительно влияет на все свойства. Водостойкость покрытия можно снизить добавлением поверхностно-активных веществ, поскольку поверхностно-активные вещества могут быть хорошо растворимы в воде и легко вымываются из покрытия. ^[3] Эта проблема влагостойкости является особенно распространенной проблемой при консервации произведений искусства, а также проблемами с адгезией, потерей оптической прозрачности и скоплением грязи, вызванными полиэфирными поверхностно-активными веществами в современной акриловой эмульсии, используемой в произведениях искусства с акриловыми покрытиями. ^[5] Хотя тип и количество поверхностно-активного вещества определяют, какие свойства будут затронуты, другие химические вещества в краске могут изменить общее воздействие поверхностно-активных веществ на краску. ^[6] Было обнаружено, что эластичность латексных красок либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от количества присутствующего TiO ₂ . ^[3]

Эмульгирование

Латексные краски (эмульсионные краски British English, не путать с латексной резиной) представляют собой эмульсию частиц полимера, диспергированных в воде. Макроэмульсии в латексной краске по своей природе нестабильны и разделяются по фазам, поэтому поверхностно-активные вещества добавляются для снижения межфазного натяжения и стабилизации частиц полимера для предотвращения деэмульгации. ^[7]

Анионные поверхностно-активные вещества, такие как додецилсульфат натрия, чаще всего используются для стабилизации эмульсий из-за их способности образовывать водородные связи с водной средой. Неионогенные поверхностно-активные вещества редко используются отдельно из-за их меньшей эффективности в создании стабильных эмульсий по сравнению с анионогенными поверхностно-активными веществами. По этой причине неионогенные поверхностно-активные вещества обычно используются в тандеме с анионогенными поверхностно-активными веществами и обеспечивают второй метод коллоидной стабилизации за счет стерического взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса между частицами полимера и пигмента. В латексах, которым требуется стабильность в больших диапазонах pH, используются более высокие соотношения неионогенных и анионных поверхностно-активных веществ. Катионные поверхностно-активные вещества используются реже всего из-за их высокой стоимости, неэффективной эмульгирующей способности и нежелательного воздействия на разложение инициатора. ^[8] Высокая скорость нанесения, хранение при низкой температуре, напряжения сдвига от перекачивания и другие экстремальные условия хранения или нанесения могут привести к тому, что поверхностно-активное вещество не сможет адекватно стабилизировать дисперсию краски.

Термодинамическим объяснением деэмульгации является увеличение свободной энергии Гиббса в результате уменьшения общей площади высокоэнергетических поверхностных взаимодействий.

\Delta G_{\text{em}}=\gamma {3V\  \over R}

Энергия, полученная в результате деэмульгации, зависит от общей площади границы раздела и поверхностного натяжения этого раздела. Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение (γ), и, таким образом, энергия Гиббса приобретается за счет деэмульгации. Это замедляет процесс деэмульгации и стабилизирует латексную краску.

Размер капель дисперсного полимера в латексной краске можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

R={3L_{\text{s}}\phi _{\text{d}} \over \phi _{\text{s}}}

Радиус капли в эмульсии зависит от длины ПАВ L _s , объемной доли дисперсной фазы φ _d и объемной доли ПАВ φ _s . ^[7]

Классификация поверхностно-активных веществ

В красках используются три основные категории поверхностно-активных веществ: ионные, полимерные и электростерические. ^[6]

По составу головной группы

Додецилсульфат натрия — распространенное анионное поверхностно-активное вещество.

Классификация головной группы поверхностно-активного вещества определяется типом иона головной группы. Ионные поверхностно-активные вещества получают свою амфифильность за счет заряженной гидрофильной головной группы и, как правило, представляют собой небольшие молекулы с низкой молекулярной массой. Ионные поверхностно-активные вещества стабилизируют взвешенные в краске частицы за счет электростатического отталкивания и легко адсорбируются и десорбируются с поверхности благодаря своему небольшому размеру. ^[6]

Анионные головные группы заряжены отрицательно и обычно используются в чистящих средствах. Анионные поверхностно-активные вещества можно найти в таких продуктах, как шампуни, стиральные порошки и мыло, поскольку они способны удалять грязь с мягких материалов, таких как ткань. Анионные ПАВ легко суспендируются в воде благодаря полярности заряженной головной группы. Однако жесткая вода может дезактивировать молекулу. Некоторые из наиболее часто используемых анионных головных групп представляют собой сульфаты и этоксилаты.

Катионные головные группы имеют положительный заряд, и катионные поверхностно-активные вещества используются в нескольких различных областях. Катионные поверхностно-активные вещества обычно используются в кондиционерах для белья. Катионные головные группы также добавляются в стиральный порошок в сочетании с анионными поверхностно-активными веществами, поскольку они помогают улучшить свойства удаления грязи анионных поверхностно-активных веществ. Катионные головные группы также повышают дезинфицирующие свойства бытовых чистящих средств. Некоторые распространенные головные группы катионных поверхностно-активных веществ включают амины и четвертичного аммония ионы . Среди многих типов поверхностно-активных веществ катионные поверхностно-активные вещества являются очень полезными ингибиторами коррозии благодаря своей защитной эффективности в нейтральных и кислых средах. ^[9]

Неионогенные головки не несут заряда и очень хорошо удаляют жир. Неионогенные поверхностно-активные вещества обычно используются в моющих средствах, мыле и бытовых чистящих средствах. В растворах жесткой воды неионогенные поверхностно-активные вещества используются для ограничения дезактивации ионных поверхностно-активных веществ, вызванной ионами кальция и магния. Некоторые распространенные головные группы неионогенных поверхностно-активных веществ включают жирные кислоты и гликоли .

По составу хвоста

Углеводородные цепи представляют собой длинные цепи, состоящие из водородных заместителей углеродного остова, что делает их очень гидрофобными. Сами по себе углеводородные цепочки образуют воски и масла и сохраняют эти характеристики при включении в поверхностно-активное вещество. Хорошим примером поверхностно-активных веществ, содержащих углеводородную цепь, являются липиды, образующие клеточные мембраны.

Цепи алкилового эфира аналогичны углеводородным цепям, за исключением того, что в основную цепь включены не только атомы углерода, но и кислород. В поверхностно-активных веществах обычно используются две алкильные цепи: полиэтиленоксид и полипропиленоксид. Полиэтиленоксидные цепи имеют кислородную и двухуглеродную (-O-CH ₂ -CH _2- ) _n повторяющуюся единицу и обладают повышенной гидрофильностью по сравнению с углеводородами. Полипропиленоксид имеет ту же структуру основной цепи, что и полиэтиленоксид, но с заместителем метильной группы одного из атомов углерода, и эта структура обладает гидрофобностью между углеводородами и полиэтиленоксидами.

Хвосты фторуглеродных цепей состоят из углеродного остова, который имеет фтористые заместители вместо атомов водорода. Фторуглероды помогают снизить поверхностное натяжение воды и других растворителей из-за их липофобной природы даже в суровых условиях, таких как низкий pH. Когда фторуглероды включаются в поверхностно-активные вещества, они используются в качестве грязеотталкивающих средств и включаются в покрытия для уменьшения поверхностных дефектов.

Силоксановые цепи состоят из основной цепи, содержащей чередующиеся атомы кислорода и кремния. Было обнаружено, что поверхностно-активные вещества с силоксановыми хвостами противостоят гидролизу и предотвращают разрушение полимерных цепей, которые могут вызвать растрескивание краски, и поэтому используются в таких продуктах, как косметика, дезодоранты, пеногасители и мыло. ^[10]

Проблемы с использованием ПАВ

Экологические проблемы

Поверхностно-активные вещества могут дестабилизировать токсичные органические соединения в краске, которые могут попасть в окружающую среду и оказать негативное воздействие. ^[4] Водорастворимые ПАВ могут вымываться из засохших красок и попадать в окружающую среду. Некоторые из этих поверхностно-активных веществ непосредственно токсичны для животных и окружающей среды, а также увеличивают способность других присутствующих токсичных загрязнителей попадать в окружающую среду. ^[11]

Расходы

Стоимость ПАВ частично зависит от рынка сырой нефти. Этот рынок окажет влияние на краски, которые в значительной степени зависят от поверхностно-активных веществ, поскольку они являются сырьевым ингредиентом для производства поверхностно-активных веществ. ^{[ нужна ссылка ]} Более сложные поверхностно-активные вещества с более крупной и трудной для синтеза структурой обходятся дороже в производстве и оказывают большее влияние на конечную рыночную цену их применения. В результате более широко используются простые, легкие в производстве и более экологически чистые поверхностно-активные вещества. ^[12]

См. также

Выщелачивание ПАВ

Ссылки

^ Розен, Милтон Дж. (сентябрь 2010 г.) [2004]. Поверхностно-активные вещества и межфазные явления (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. п. 1. ISBN 9780470541944 .
^ Г-н Бреслер и Дж. П. Хаген (2008). «Адсорбция диэтилового поверхностно-активного вещества: обновленная лаборатория физической химии». Журнал химического образования . 82 (2): 269–271. дои : 10.1021/ed085p269 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с EWS Хаган; М. Н. Хараламбид; ЭЛТ Янг; Учащийся TJS; С. Хакни (2010). «Вязкоупругие свойства пленок латексных красок при растяжении: влияние неорганической фазы и поверхностно-активных веществ». Прогресс в области органических покрытий . 69 (1): 73–81. doi : 10.1016/j.porgcoat.2010.05.008 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Р.Е. Скокина; Л.И. Ворончихина (2003). «Защитные свойства ПАВ на основе диметиламиноэтанола». Защита металлов . 39 (3): 288–290. дои : 10.1023/А:1023979523413 . S2CID 92331399 .
^ Ученик, Том. Обнаруженные современные краски: материалы симпозиума «Обнаруженные современные краски». Лос-Анджелес: Институт охраны природы Гетти, 2007.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Л. Н. Батлер; Товарищи CM; Р. Г. Гилберт (2005). «Влияние поверхностно-активных веществ, используемых для синтеза связующего, на свойства латексных красок». Прогресс в области органических покрытий . 53 (2): 112–118. doi : 10.1016/j.porgcoat.2005.02.001 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Батт, Ханс-Юрген; Майкл Каппл; Карлхайнц Графф (2006). Физика и химия интерфейсов . Вайли-ВЧ . ISBN 978-3-527-40629-6 .
^ Вайс, Филип (1981). «Принципы полимеризации, 2-е изд., Джордж Одиан, Wiley-Interscience, Нью-Йорк, 1981, 731 стр». Журнал науки о полимерах: издание Polymer Letters . 19 (10): 519. Бибкод : 1981JPoSL..19..519W . дои : 10.1002/pol.1981.130191009 .
^ Скокина Р.Е., Ворончихина Л.И. (2003). «Защитные свойства ПАВ на основе диметиламиноэтанола». Защита металлов . 39 (3): 288–290. дои : 10.1023/А:1023979523413 . S2CID 92331399 .
^ Пэн, Чжунли (15 июня 2009 г.). «Синтез и свойства устойчивых к гидролизу двухвостых трисилоксановых поверхностно-активных веществ». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 342 (1–3): 127–131. doi : 10.1016/j.colsurfa.2009.04.028 .
^ Меткалф, Трейси Л.; Диллон, Питер Дж.; Меткалф, Крис Д. (2008). «Обнаружение переноса токсичных пестицидов с полей для гольфа в водоразделы в районе докембрийского щита Онтарио, Канада». Экологическая токсикология и химия . 27 (4): 811–8. дои : 10.1897/07-216.1 . ПМИД 18333674 .
^ У Шёнкаес (1998). «ЛАС – современный классический ПАВ» . Чимика Огги – Химия сегодня . 16 (9): 9–13.

[Rosen_MJ-1] Розен, Милтон Дж. (сентябрь 2010 г.) [2004]. Поверхностно-активные вещества и межфазные явления (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. п. 1. ISBN 9780470541944 .

[2] Г-н Бреслер и Дж. П. Хаген (2008). «Адсорбция диэтилового поверхностно-активного вещества: обновленная лаборатория физической химии». Журнал химического образования . 82 (2): 269–271. дои : 10.1021/ed085p269 .

[EWS_Hagan_;_MN_Charalambides_;_CRT_Young_;_TJS_Learner_;_S_Hackney_2010_73–81-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с EWS Хаган; М. Н. Хараламбид; ЭЛТ Янг; Учащийся TJS; С. Хакни (2010). «Вязкоупругие свойства пленок латексных красок при растяжении: влияние неорганической фазы и поверхностно-активных веществ». Прогресс в области органических покрытий . 69 (1): 73–81. doi : 10.1016/j.porgcoat.2010.05.008 .

[RE_Skokina_;_LI_Voronchikhina_2003_288–290-4] Перейти обратно: ^а ^б Р.Е. Скокина; Л.И. Ворончихина (2003). «Защитные свойства ПАВ на основе диметиламиноэтанола». Защита металлов . 39 (3): 288–290. дои : 10.1023/А:1023979523413 . S2CID 92331399 .

[5] Ученик, Том. Обнаруженные современные краски: материалы симпозиума «Обнаруженные современные краски». Лос-Анджелес: Институт охраны природы Гетти, 2007.

[L._N._Butler,_C._M._Fellows_and_R._G._Gilbert_2005_112–118-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Л. Н. Батлер; Товарищи CM; Р. Г. Гилберт (2005). «Влияние поверхностно-активных веществ, используемых для синтеза связующего, на свойства латексных красок». Прогресс в области органических покрытий . 53 (2): 112–118. doi : 10.1016/j.porgcoat.2005.02.001 .

[Butt_2006-7] Перейти обратно: ^а ^б Батт, Ханс-Юрген; Майкл Каппл; Карлхайнц Графф (2006). Физика и химия интерфейсов . Вайли-ВЧ . ISBN 978-3-527-40629-6 .

[8] Вайс, Филип (1981). «Принципы полимеризации, 2-е изд., Джордж Одиан, Wiley-Interscience, Нью-Йорк, 1981, 731 стр». Журнал науки о полимерах: издание Polymer Letters . 19 (10): 519. Бибкод : 1981JPoSL..19..519W . дои : 10.1002/pol.1981.130191009 .

[9] Скокина Р.Е., Ворончихина Л.И. (2003). «Защитные свойства ПАВ на основе диметиламиноэтанола». Защита металлов . 39 (3): 288–290. дои : 10.1023/А:1023979523413 . S2CID 92331399 .

[siloxane-10] Пэн, Чжунли (15 июня 2009 г.). «Синтез и свойства устойчивых к гидролизу двухвостых трисилоксановых поверхностно-активных веществ». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 342 (1–3): 127–131. doi : 10.1016/j.colsurfa.2009.04.028 .

[Metcalfe_TL,_Dillon_PJ,_Metcalfe_CD-11] Меткалф, Трейси Л.; Диллон, Питер Дж.; Меткалф, Крис Д. (2008). «Обнаружение переноса токсичных пестицидов с полей для гольфа в водоразделы в районе докембрийского щита Онтарио, Канада». Экологическая токсикология и химия . 27 (4): 811–8. дои : 10.1897/07-216.1 . ПМИД 18333674 .

[12] У Шёнкаес (1998). «ЛАС – современный классический ПАВ» . Чимика Огги – Химия сегодня . 16 (9): 9–13.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]