ПАВ (Поверхностно Активные Вещества) - это, как правило, химические вещества, которые содержатся в любом чистящем средстве, даже в обычном мыле. Как раз благодаря ПАВам чистящее средство чистит.

Для чего ПАВы нужны?

Проблема в том, что грязь, особенно жир, очень сложно смыть водой. Попробуйте помыть жирные руки водой. Вода будет стекать, не смывая жир. Молекулы воды не липнут к молекулам жира и не забирают их с собой. Стало быть, задача в том, чтобы прикрепить молекулы жира к молекулам воды. Именно это и делают ПАВы. Молекула ПАВ представляет собой сферу, один полюс которой - липофильный (соединяется с жирами), а другой - гидрофильный (вступает в связь с молекулами воды). То есть, одним концом частица ПАВ прикрепляется к частице жира, а другим концом - к частицам воды.

Как ПАВ влияют на наше здоровье?

Большая часть влаги человеческого тела имеет также жировую основу. Т.е. например защитный слой кожи (липиды - жиры, которые защищают кожу от попадания в организм различных бактерий) является жировой пленкой и естественно разрушается ПАВами. А зараза нападает на то место, которое наименее защищено, что конечно же вредно для здоровья человека. Специалисты утверждают, что после применения моющего средства защитный слой кожи должен успеть восстановиться в течение 4 часов до, как минимум 60%. Это установленные ГОСТом нормы гигиены. Однако далеко не все моющие средства обеспечивают такую восстановимость кожи. А обезжиренная и обезвоженная кожа быстрей стареет.

Кроме того, небиоразлагаемые ПАВы могут накапливаться в мозге, печени, сердце, жировых отложениях (особенно много) и продолжать разрушение организма длительное время. А поскольку без моющих средств практически никто не обходится, то ПАВы постоянно пополняются в нашем организме обеспечивая непрерывный вред телу. ПАВы также влияют на репродуктивную функцию у мужчин, аналогично радиоактивному излучению.

Проблема усугубляется тем, что наши очистные сооружения плохо справляются с удалением ПАВов. Поэтому вредные ПАВы возвращаются через водопровод к нам почти в той же концентрации, в которой мы их выливаем в сток. Исключение составляют только средства с биоразлагаемыми ПАВами.

Какие бывают ПАВы?

Анионные ПАВ. Основным достоинством является относительно невысокая стоимость, эффективность и хорошая растворимость. Но они наиболее агрессивны по отношению к организму человека.
- Катионные ПАВ. Обладают бактерицидным свойством.
- Неионогенные ПАВ. Основным достоинством является благоприятное действие на ткань и главное - 100% биоразлагаемость.
- Амфолитные ПАВ. В зависимости от среды (кислотность/щелочность) проявляют себя либо как катионные, либо как анионные ПАВы.

Как ПАВы влияют на окружающую среду?

Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде - понижение поверхностного натяжения. Например в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO2 и кислорода в массе воды. А это негативно влияет на водную флору и фауну.

Кроме того, почти все ПАВ, используемые в промышленности и домашнем хозяйстве, попадая на частички земли, песка, глины, при нормальных условиях могут высвобождать ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

Что такое биоразлагаемое ПАВ?

Одним из основных критериев экологической безопасности товаров бытовой химии является биоразлагаемость ПАВ, которые входят в их состав. ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде и те, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях.

Причем различают первичную биоразлагаемость, которая подразумевает структурные изменения ПАВ микроорганизмами, приводящие к потере поверхностно-активных свойств, и полную биоразлагаемость - конечную биодеградацию ПАВ до диоксида углерода и воды. Только такие, полностью биоразлагаемые, ПАВ являются безопасными.

100% биоразлагаемостью обладают только некоторые неионогенные ПАВ, в первую очередь получаемые на основе биологического сырья, а не нефтепродуктов.

Био-ПАВ – что это такое?

В 1995 году компания ECOVER совместно с французской фирмой Agro-Industrie Recherches et Développements (ARD) принимали участие в европейском исследовательском проекте, целью которого было научиться синтезировать ПАВ из сельскохозяйственных отходов, например, соломы и пшеничных отрубей. Проект был успешно завершен еще в 1999 году, а производство в промышленных масштабах началось в 2008 году.

Сейчас био-ПАВ лежат в основе всей линейки средств для мытья посуды марки ECOVER. Результаты тестов подтверждают, что подобные ПАВ обладают сильным чистящим действием, полностью биоразлагаемы и характеризуются низкой токсичностью. Это похоже на сказку, в которой солома превращалась в золото, но здесь речь идет о реальной истории.

Неионогенные ПАВ

Соединения, которые растворяются в воде без образования ионов, называют неионными. Их группу представляют полигликолевые и полигликоленовые эфиры жирных спиртов (например, фейстензид - Disodium Laurethsulfosuccinate - текучая жидкость, состоящая из лимонной кислоты и 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 (биоразлагаемость неионных тензидов составляет 100%). 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 к-там, аминам и др. соединениям с реакционноспособными атомами водорода. Полиоксиатиленовые эфиры алкилфенолов - самая многочисленная и распространенная группа неионогенных ПАВ, включающая более сотни торговых названий наиболее известны препараты ОП-4, ОП-7 и ОП-10. Типичное сырье - октил-, ионил- и додецилфенолы; кр. того, используют крезолы, крезоловую к-ту, в-нафтол и др. Если в реакцию взят индивидуальный алкилфенол, готовый продукт представляет собой смесь ПАВ общей ф-лы RC6H4O(CH2O) mH, где т - степень оксиэтилирования, зависящая от молярного соотношения исходных компонентов.

Все ПАВ. можно разделить на две категории по типу систем, образуемых ими при взаимодействии с растворяющей средой. К одной категории относятся мицеллообразующие ПАВ. в., к другой - не образующие мицелл. В растворах мицеллообразующих ПАВ в. выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) возникают коллоидные частицы (мицеллы), состоящие из десятков или сотен молекул (ионов). Мицеллы обратимо распадаются на отдельные молекулы или ионы при разбавлении раствора (точнее, коллоидной дисперсии) до концентрации ниже ККМ.

Таким образом, растворы мицеллообразующих ПАВ. занимают промежуточное положение между истинными (молекулярными) и коллоидными растворами, поэтому их часто называют полуколлоидными системами. К мицеллообразующим ПАВ относят все моющие вещества, эмульгаторы, смачиватели, диспергаторы и др.

Поверхностную активность удобно оценивать по наибольшему понижению поверхностного натяжения деленному на соответствующую концентрацию - ККМ в случае мицеллообразующих ПАВ. Поверхностная активность обратно пропорциональна ККМ:

Образование мицелл происходит в узком интервале концентраций, к-рый становится уже и определенней по мере удлинения гидрофобных радикалов.

Простейшие мицеллы типичных полуколлоидпых ПАВ, напр. солей жирных к-т, при концентрациях, не слишком превышающих ККМ, имеют сфероидальную форму.

С ростом концентрации ПАВ анизометричных мицелл сопровождается резким возрастанием структурной вязкости, приводящей в нек-рых случаях к гелеебреаованию, т.е. полной потере текучести.

Действие детергентов. Мыло известно уже тысячи лет, но только относительно недавно химики поняли, почему оно обладает моющими свойствами. Механизм удаления грязи в сущности один и тот же для мыла и синтетических моющих средств. Рассмотрим его на примере поваренной соли, обычного мыла и алкилбензолсульфоната натрия, одного из первых синтетических детергентов.

При растворении в воде поваренная соль диссоциирует на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные хлорид-ионы. Мыло, т.е. стеарат натрия (I), сходные с ним вещества, а также алкилбензолсульфонат натрия (II) ведут себя подобным же образом: они образуют положительно заряженные ионы натрия, но их отрицательные ионы, в отличие от хлорид-иона, состоят примерно из пятидесяти атомов.

Мыло (I) можно представить формулой Na+ и C17H35COO-, где 17 атомов углерода с присоединенными к ним атомами водорода вытянуты в извилистую цепочку. Алкилбензолсульфонат натрия (Na+ C12H25C6H4SO3-) имеет примерно столько же атомов углерода и водорода. Однако расположены они не в виде извилистой цепочки, как в мыле, а в виде разветвленной структуры. Значение этого различия станет ясно позднее. Для моющего действия важно то, что углеводородная часть отрицательного иона нерастворима в воде. Однако она растворима в жирах и маслах, а ведь именно благодаря жиру грязь прилипает к вещам; и если поверхность полностью очищена от жира, грязь не задерживается на ней.

Отрицательные ионы (анионы) мыла и алкилбензолсульфоната склонны концентрироваться на поверхности раздела воды и жира. Водорастворимый отрицательно заряженный конец остается в воде, тогда как углеводородная часть погружена в жир. Чтобы поверхность раздела была наибольшей, жир должен присутствовать в виде мельчайших капелек. В результате образуется эмульсия - взвесь капелек жира (масла) в воде (III).

Если на твердой поверхности имеется пленка жира, то при контакте с водой, содержащей детергент, жир покидает поверхность и переходит в воду в виде мельчайших капель. Анионы мыла и алкилбензолсульфоната находятся одним концом в воде, а другим - в жире. Грязь, удерживаемая пленкой жира, удаляется при полоскании. Так в упрощенном виде можно представить себе действие моющих средств.

Любое вещество, склонное собираться на поверхности раздела масло - вода, называют поверхностно-активным веществом. Все поверхностно-активные вещества являются эмульгаторами, потому что способствуют образованию эмульсии масла в воде, т.е. «смешению» масла и воды; все они обладают моющими свойствами и образуют пену - ведь пена является как бы эмульсией воздушных пузырьков в воде. Но не все эти свойства выражены у них одинаково. Есть поверхностно-активные вещества, которые обильно образуют пену, но являются слабыми моющими средствами; есть и такие, которые почти не пенятся, но представляют собой прекрасные моющие средства. Синтетические детергенты - это синтетические поверхностно-активные вещества с особо высокой моющей способностью. В промышленности термин «синтетическое моющее средство», как правило, означает композицию, включающую поверхностно-активный компонент, отбеливатели и другие добавки.

Мыло, алкилбензолсульфонаты и многие другие моющие средства, где именно анион растворяется в жирах, называют анионоактивными. Имеются также поверхностно-активные вещества, в которых жирорастворимым является катион. Их называют катионоактивными. Типичный катионный детергент, хлорид алкилдиметилбензиламмония (IV) является солью четвертичного аммония, содержащей азот, связанный с четырьмя группами. Хлорид-анион всегда остается в воде, поэтому его называют гидрофильным; углеводородные группы, связанные с положительно заряженным азотом, являются липофильными. Одна из этих групп, C14H29, похожа на длинную углеводородную цепочку в мыле и алкилбензолсульфонате, но она присоединена к положительному иону. Такие вещества называют «обратными мылами». Некоторые из катионоактивных детергентов обладают сильным антимикробным действием; их применяют в составе моющих средств, предназначенных не только для мытья, но и для дезинфекции. Однако если они вызывают раздражение глаз, то при их использовании в аэрозольных составах это обстоятельство должно быть отражено в инструкции на этикетке.

Еще один тип моющих средств - неионные детергенты. Жирорастворимая группа в детергенте (V) представляет собой нечто вроде жирорастворимых групп в алкилбензолсульфонатах и мылах, а остаток - это длинная цепь, содержащая множество кислородных атомов и OH-группу на конце, которые являются гидрофильными. Обычно неионные синтетические моющие средства проявляют высокую моющую способность, но слабо образуют пену.

СПАВ (Синтетические Поверхностно-Активные Вещества) представляют собой обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение). В зависимости от свойств, проявляемых СПАВ при растворении в воде, их делят на анионоактивные вещества (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные, которые совсем не ионизируются.

Не секрет, что основные действующие компоненты стиральных порошков - поверхностно-активные вещества (ПАВ). По правде говоря, эти активные химические соединения, попадая в организм, разрушают живые клетки путем нарушения важнейших биохимических процессов.

Будущее за синтетикой? Видимо, да. В подтверждение этому ПАВ все больше усовершенствуются, есть так званые неионогенные ПАВ, биоразлагаемость которых достигает 100%. Они более эффективны при низких температурах, что важно для щадящих режимов стирки. Поскольку многие искусственные волокна не выдерживают высоких температур. К тому же стирка в более холодной воде экономит энергоресурсы, что актуальнее с каждым днем. К сожалению, большинство неионогенных ПАВ жидкие или пастообразные, и поэтому используются в жидких и пастообразных моющих средствах. В порошкообразные СМС неионогенные ПАВ вводятся в виде добавок 2-6% мас. Важные преимущества синтетических ПАВ в том, что они не образуют малорастворимых в воде солей кальция и магния. А значит, одинаково хорошо стирают как в мягкой, так и в жесткой вод. Концентрация синтетических моющих веществ даже в мягкой воде может быть гораздо ниже, чем мыла, полученного из натуральных жиров.

Наверное, из продуктов бытовой химии нам известны более всего синтетические моющие средства. В 1970 году впервые во всем мире синтетических моющих средств (СМС) было произведено больше, чем обычного натурального мыла. С каждым годом производство его все снижается, тогда как выпуск СМС непрерывно возрастает.

Например, в нашей стране динамику роста производства СМС можно отобразить следующими данными: в 1965 году их было произведено 106 тысяч тонн, в 1970-м-470 тысяч тонн, а в 1975-м будет выработан почти один миллион тонн.

Почему же так падает производство натурального, ядрового, мыла, которое верой и правдой служило человеку долгие годы? Оказывается, у него много недостатков.

Во-первых, мыло, будучи солью слабой органической кислоты (точнее, солью, образованной смесью трех кислот - пальмитиновой, маргариновой и стеариновой) и сильного основания - едкого натра, в воде гидролизует: ся (т.е. расщепляется ею) на кислоту и щелочь. Кислота вступает в реакцию с солями жесткости и образует новые, уже нерастворимые в воде соли, которые выпадают в виде клейкой белой массы на одежду, волосы и т.д. Это не очень приятное явление хорошо известно всем, кто пытался стирать или мыться в жесткой воде.

Другой продукт гидролиза - щелочь - разрушает кожу (обезжиривает ее, приводит к сухости и образованию болезненных трещин) и снижает прочность волокон, из которых состоят различные ткани. Полиамидные же волокна (капрон, нейлон, перлон). разрушаются мылом особенно интенсивно.

Во-вторых, мыло - относительно дорогой продукт, так как для его производства необходимо пищевое сырье - растительные или животные жиры.

Есть и другие, менее значительные недостатки у этого до недавнего времени совершенно незаменимого в быту вещества.

В отличие от натурального мыла синтетические моющие средства обладают несомненными достоинствами: большей моющей способностью, гигиеничностью и экономичностью.

На международном рынке известно сейчас около 500 наименований синтетических моющих средств, выпускаемых в виде порошков, гранул, чешуек, паст, жидкостей.

Производство СМС дает большой народнохозяйственный эффект. Эксперименты показали, что одна тонна синтетических моющих средств заменяет 1,8 тонны 40°/о-ного хозяйственного мыла, производимого из ценного пищевого сырья. Подсчитано, что одна тонна СМС экономит для пищевой промышленности 750 кг растительных жиров.

Применение СМС в домашнем хозяйстве позволяет сократить затраты труда при ручной и машинной стирке на 15-20%* При этом гораздо лучше, чем при использовании обычного хозяйственного мыла, сохраняются прочность и первоначальные потребительские свойства ткани (белизна, яркость цвета, эластичность).

Нужно сказать, что СМС предназначены не только для стирки белья. Есть специальные средства для мытья и чистки различных предметов домашнего обихода, туалетные синтетические мыла, средства для мытья волос-шампуни, пеномоющие добавки для ванн, в которые вводятся биостимуляторы, оказывающие тонизирующее воздействие на организм.

Главным компонентом всех названных средств является синтетическое поверхностно-активное вещество (ПАВ), роль которого та же, что и органической соли в обыкновенном мыле.

Однако химикам давно уже известно, что индивидуальное вещество, каким бы универсальным оно ни было, не может удовлетворять всем предъявляемым к нему требованиям. Небольшие же добавки других, сопутствующих веществ помогают обнаружить у этого основного вещества весьма полезные качества. Вот почему все современные СМС представляют собой не индивидуальные ПАВы, а композиции, в которые могут входить отбеливатели, отдушки, регуляторы пены, биологически активные вещества и другие компоненты.

Вторым по значимости компонентом современных синтетических моющих средств являются конденсированные, или полимерные, фосфаты (полифосфаты). Эти вещества обладают рядом полезных свойств: они образуют с имеющимися в воде ионами металлов водорастворимые комплексы, чем предупреждают возможность появления нерастворимых минеральных солей, возникающих при стирке обычным мылом; увеличивают моющую активность ПАВа; предотвращают обратное оседание взвешенных частиц грязи на отстиранную поверхность; дешевы в производстве.

Все эти свойства полифосфатов позволяют снизить в СМС содержание более дорогого основного компонента-ПАВа.

Как правило, в любое синтетическое моющее средство входит отдушка - вещество с приятным запахом, который передается белью при использовании СМС.

Почти во все СМС вводится вещество, называемое натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы. Это - высокомолекулярный синтетический продукт, растворимый в воде. Его основное предназначение - быть, наряду с фосфатами, антирезорбтивом, т.е. предотвращать оседание грязи на уже отстиранные волокна.

Большинство из них имеет ряд преимуществ перед мылом, которое издавна применялись для этой цели. Так, например, ПАВы хорошо растворяются и пенятся даже в жесткой воде. Образующиеся в жесткой воде калиевые и магниевые соли не ухудшают моющего действия ПАВов и не образуют на волосах белого налета.

Основные действующие вещества всех стиральных порошков, т.н. ПАВ (поверхностно активные вещества), представляют собой чрезвычайно активные химические соединения. Обладая некоторым химическим родством с определенными компонентами мембран клеток человека и животных, ПАВ, при попадании в организм, скапливаются на клеточных мембранах, покрывая их поверхность тонким слоем и при определенной концентрации способны вызвать нарушения важнейших биохимических процессов, протекающих в них, нарушить функцию и саму целостность клетки.

В экспериментах на животных ученые установили, что ПАВ существенно изменяют интенсивность окислительно-восстановительных реакций, влияют на активность ряда важнейших ферментов, нарушают белковый, углеводный и жировой обмен. Особенно агрессивны в своих действиях анионы ПАВ. Они способны вызвать грубые нарушения иммунитета, развитие аллергии, поражения мозга, печени, почек, легких. Это одна из причин, по которым в странах Западной Европы наложены строгие ограничения на использование а-ПАВ (анионных ПАВ) в составах стиральных порошков. В лучшем случае их содержание не должно превышать 2-7%. На Западе уже более 10 лет назад отказались от применения в быту порошков, содержащих фосфатные добавки. На рынках Германии, Италии, Австрии, Голландии и Норвегии продаются только бесфосфатные моющие средства. В Германии применение фосфатных порошков запрещено федеральным законом. В других странах, таких как Франция, Великобритания, Испания, в соответствии с правительственными решениями содержание фосфатов в СМС строго регламентировано (не более 12%).

Наличие фосфатных добавок в порошках приводит к значительному усилению токсических свойств а-ПАВ. С одной стороны, эти добавки создают условия для более интенсивного проникновения а-ПАВ через неповрежденную кожу, способствуют усиленному обезжириванию кожных покровов, более активному разрушению клеточных мембран, резко снижают барьерную функцию кожи. ПАВ проникают в микрососуды кожи, всасываются в кровь и распространяются по организму. Это приводит к изменению физико-химических свойств самой крови и нарушению иммунитета. У а-ПАВ есть способность накапливаться в органах. Например, в мозге оседает 1,9% общего количества а-ПАВ, попавших на незащищенную кожу, в печени - 0,6% и т.д. Они действуют подобно ядам: в легких вызывают гиперемию, эмфизему, в печени повреждают функцию клеток, что приводит к увеличению холестерина и усиливают явления атеросклероза в сосудах сердца и мозга, нарушает передачу нервных импульсов в центральной и периферической нервной системах.

Но этим не исчерпывается вредное действие фосфатов - они представляют собой большую угрозу для окружающей нас среды. Попадая после стирки вместе со сточными водами в водоемы, фосфаты принимаются действовать как удобрения. «Урожай» водорослей в водоемах начинает расти не по дням, а по часам. Водоросли, разлагаясь, выделяют в огромных количествах метан, аммиак, сероводород, которые уничтожают все живое в воде. Зарастание водоемов и засорение медленно текущих вод приводит к грубым нарушениям экосистем водоемов, ухудшению кислородного обмена в гидросфере и создают трудности в обеспечении населения питьевой водой. Еще и по этой причине во многих странах законодательно запретили применение фосфатных СМС.

Традиционным недостатком ПАВ является жесткость, выражающаяся в раздражении на коже, появлении сухости и состояния дискомфорта после использования шампуня или геля для душа.

Кожные покровы рук, соприкасаясь с активными химическими растворами стиральных порошков, становятся основным проводником проникновения опасных химических агентов в организм человека. А-ПАВ активно проникают даже через неповрежденную кожу рук и при содействии фосфатов, энзимов и хлора интенсивно ее обеззараживают. Восстановление нормальной жирности и влажности кожи происходит не ранее, чем через 3-4 часа, а при многократном применении в связи с накоплением вредного эффекта недостаток жирового покрытия кожи ощущается в течение двух суток. Барьерные функции кожных покровов снижаются, и создаются условия для интенсивного проникновения в организм не только а-ПАВ, но и любых токсичных соединений - бактериологических токсинов, тяжелых металлов и др. После нескольких стирок фосфатными порошками зачастую развиваются воспаления кожи - дерматиты. Запускается конвейер патологических иммунных реакций.

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества в смесях, именуемые добавками.

На стадиях технологического производства они:

- облегчают выполнение операций;

Снижают количество затрачиваемой энергии;

Уменьшают расход дорогостоящих компонентов;

Снижают материалоемкость;

Способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала;

Благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания.

На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее ИСК призваны:

Упрочнить, стабилизировать структуру материала;

Максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

Основное функциональное назначение добавок, и этим они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смесей в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количестве добавки могут частично остаться в смеси и в сформированном материале без каких- либо изменений, что не является желательным.

Поверхностно-активнымивеществами (ПАВ ) называют такие химические соединения, которые адсорбируются на поверхностях раздела жидкостей и твердых тел и влияют на их физико-химические или химические свойства. ПАВ являются, как правило, соединениями, молекулы которых состоят из двух главных частей - радикала и функциональной группы.

Радикал - представляет собой группу атомов , которая при ряде химических превращений неизменна и переходит из молекулы одного соединения в молекулу другого.

Радикалы образуются, например, при отщеплении в молекулах углеводородов органических соединений атомов водорода. Так, если в любом предельном (насыщенном) соединении, относящемся к классу парафинов типа C n H 2 n +2 , отщепляется атом водорода, то оставшаяся группа атомов C n H 2 n +1 является алифатическим (жирным) радикалом

Н - С - С - …- С -, который обозначается буквой R.

Место отщепленного водорода в молекуле может занять другой атом или группа атомов, обладающих определенными свойствами, связанных со стационарным смещением электронов на атомных орбитах, что обуславливает наличие определенного электрического диполя и дипольного момента всей молекулы. Такие атомы или группы атомов называются функциональными группами .

Наиболее часто встречающиеся в составе ПАВ функциональные группы:

Гидроксильная: (- ОН);

Карбоксильная: (- СООН);

Аминная (амино-группа): (- NН 2);

Нитрогруппа: (- NО 2);

Сульфатогруппа: (- SО 3 H).

По количеству функциональных групп в молекуле ПАВ могут быть одно-, -двух- и многоосновными.

Соединения, в которых алифатический радикал содержит менее 10 атомов углерода , как правило, не обладают поверхностной активностью, т.е. способностью адсорбироваться и понижать поверхностное натяжение жидкостей или поверхностную энергию твердых тел. При содержании в радикале более 10 атомов углерода они обычно поверхностно-активны и называются высшими жирными ПАВ . От типа функциональной полярной группы и структуры радикала зависит растворимость ПАВ в различных растворителях и способность диссоциировать на ионы.

ПАВ, в которых функциональные группы несут положительный заряд, активны в кислой среде и неактивны в щелочной, тогда как ПАВ с отрицательно заряженными функциональными группами, наоборот, активны в щелочной и неактивны в кислой.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ

Принципиально все ПАВ разделяют на две большие группы: иногенные соединения, при растворении в воде диссоциирующие на ионы, и неиногенные, которые на ионы не диссоциируют.

В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ - анионами или катионами , ионогенные вещества подразделяются на анионактивные , катионактивные, амфолитные. Анионактивные ПАВ активны в щелочных растворах, катионактивные - в кислых, амфолитные - в тех и других.

Анионактивные вещества в щелочных растворах, образуя отрицательно заряженные поверхностно-активные ионы (анионы):

RCOONa ↔ RCOO - + Na +

Катионактивные вещества при диссоциации в кислых растворах образуют положительно заряженные поверхностно-активные ионы (катионы):

RNH 3 Cl ↔ RNH 3 + + Cl -

К анионактивным ПАВ относятся: карбоновые кислоты (RCOOH) и их соли (RCOOMe) и др.

К катионактивным ПАВ относятся амины, аммониевые основания:

RNH 2 ; RNH 3 Cl.

Амфолитные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых имеет кислый, другая - основной характер, например карбоксильную и аминную группу.

В зависимости от среды амфолитные соединения обладают анионными, либо катионными свойствами:

Щелочная среда кислая среда;

RNH(СH 2) n COO - ↔ RNH(СH 2) n COOH↔RNH 2 (СH 2) n COOH;

Анионные свойства катионные свойства.

Неионогенные ПАВ, растворяясь в воде, не образуют ионов.

К группе неиогенных ПАВ относятся продукты оксиэтилирования жирных кислот, спиртов, аминов.

RCOO(C 2 H 4 O) n · H ; RCH 2 O(C 2 H 4 O) n · H ; RC 6 H 5 O(C 2 H 4 O) n OH .

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ ПО МЕХАНИЗМУ ДЕЙСТВИЯ

В зависимости от действия ПАВ в дисперсных системах они делятся на 4 группы:

К первой группе относятся низкомолекулярные, истинно растворимые в воде ПАВ, например спирты. Они являются слабыми смачивателями и пеногасителями.

Ко второй группе относятся ПАВ диспергаторы и эмульгаторы . Адсорбируясь, эффективно понижают свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела и тем самым облегчают процесс образования новых поверхностей и диспергирование. Эти вещества обладают и некоторыми стабилизирующими действиями.

В результате ориентированной адсорбции ПАВ второй группы гидрофобизируют твердые поверхности и, наоборот, гидрофилизируют гидрофобные поверхности. Особенно резко выражен эффект гидрофобизации этих ПАВ, усиливающийся химической связью - фиксацией полярных групп ПАВ на соответствующих участках твердой поверхности.

К ПАВ второго класса относятся жирные кислоты, их водорастворимые соли, катионактивные органические основания и соли.

В третью группу объединены ПАВ, являющиеся хорошими стабилизаторами. Поверхностная активность их сравнительно мала.

Эти ПАВ являются также хорошими адсорбционными пластификаторами - пластифицируют структуру, понижая их прочность и структурную вязкость. В цементных растворах и бетонах это позволяет переходить к жестким и вместе с тем однородным смесям, способствуют равномерности перемешивания, повышает плотность и долговечность (морозостойкость), приводит к повышению прочности и к снижению расхода цемента.

В качестве пластификаторов используют лигносульфонаты кальция (сульфитно-спиртовая барда - ССБ и сульфитно-дрожжевая бражка - СДБ) и т.п.

Четвертая группа ПАВ - это моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофобизирующим действием. Они также эффективные эмульгаторы и стабилизаторы эмульсий. В эту группу входят мыла жирных кислот и аминов.

В строительстве в основном используют поверхностно-активные вещества второй - четвертой групп.

ПАВ для цементобетонных смесей и цементобетона подразделяют на следующие виды:

1. Регулирующие свойства бетонных смесей

1.1. Пластифицирующие 1-4 группы (супер-, сильно-, средне- и слабопластифицирующие). Увеличивают подвижность бетонной смеси, замедляют схватывание бетона и повышают прочность.

1.2. Стабилизирующие. Повышают однородность бетона, снижают проницаемость.

1.3. Водоудерживающие. Увеличивают подвижность смеси, снижают проницаемость и прочность бетона, повышают однородность бетона.

1.4. Улучшающие перекачиваемость. Повышают однородность, снижают водоотделение смеси и прочность бетона.

1.5. Замедляющие схватывание. Увеличивают время подвижности смеси, замедляют схватывание в 2 и более раза при +20°С. Увеличение прочности в дальние сроки твердения.

1.6. Ускоряющие схватывание. Ускоряют схватывание на 20% и более при 20°С. Ускорение твердения.

1.7. Поризующие - для легких бетонов.

1.8. Воздухововлекающие. Повышение удобоукладываемости и морозостойкости, снижение расслаиваемости.

1.9. Пенно- и газообразующие. Пенообразующие добавки обеспечивают получение технической пены. Газообразующие ПАВ способны выделять газ за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента.

2. Регулирующие твердение бетона

2.1. Ускоряющие твердение. Повышение прочности в возрасте 1 суток на 20% и более. Замедление набора прочности в более поздние сроки.

2.2 Замедляющие твердение. Снижение прочности бетона на 30% и более в возрасте до 7 суток.

3. Повышающие прочность и (или) коррозионную стойкость, морозостойкость бетона, снижение проницаемости бетона

3.1. Водоредуцирующие (1-4 группы). Снижение расхода воды (на 20-5%). Повышение морозостойкости и коррозионной стойкости.

3.2. Кольматирующие. Повышение марки бетона по водонепроницаемости и коррозионной стойкости.

3.3. Воздухововлекающие и газообразующие. Повышение морозостойкости в 2 и более раза, пластификация смеси.

3.4. Повышающие защитные свойства бетона по отношению к арматуре (ингибиторы коррозии стали). Увеличение подвижности смеси и снижение диффузионной проницаемости бетона.

4. Придающие бетону специальные свойства

4.1. Противоморозные (обеспечивающие твердение при отрицательных температурах).

4.2. Гидрофобизирующие (1-3 групп). Снижение водопоглощения в 1,5-5 раз и более, замедление схватывания.

Введение ПАВ в цементное тесто, растворную или бетонную смесь существенно изменяет их структуру и свойства как в пластичном, так и затвердевшем состоянии. Различные виды ПАВ, отмеченные выше, по-разному меняют свойства бетонной смеси или бетона за счет их адсорбирования на поверхности зерен клинкера и новообразований, а также поверхности каменных материалов.

Изменяется также микроструктура гидратированного цемента в результате развивающегося адсорбционного модифицирования. Поверхность образующихся в цементном тесте и камне кристаллов покрывается адсорбционной пассивирующей пленкой поверхностно-активных веществ, рост кристаллов замедляется и образуется более мелкая кристаллическая структура с изменением самой формы кристаллов.

Таким образом, применяя ПАВ, можно значительно расширить возможности производства асфальто- и цементобетонных смесей. В данном случае основное заключается в правильном выборе материалов и добавок, а также в их дозировании.

ПАВ классифицируют по ряду признаков:

• ? способности образовывать ионы и заряду ионов;
• ? механизму действия:
• ? растворимости в воде и маслах.

Классификация ПАВ по способности образовывать ионы и заряду ионов. Все поверхностно-активные вещества разделяются на две большие группы: ионогенные соединения, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы, и неионогенные, которые на ионы не диссоциируют.

В зависимости от того, какими ионами (положительными или отрицательными) обусловлена поверхностная активность ионогенных ПАВ, т.е. соответственно катионами или анионами, они делятся на катионактивные, анионактивные и амфотерные (имеющие две разнополярные функциональные группы).

Анионные ПАВ активны в щелочных растворах, катионные - в растворах кислот, амфотерные - в тех и других.

Анионактивные ПАВ диссоциируют в щелочных растворах с образованием анионов:

анион ПАВ

Катионактивные ПАВ при диссоциации в растворах кислот образуют катионы:

1ШН 2 С1 1ШН5 + СГ.

катион ПАВ

Амфотерные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых имеет кислый, другая - основный характер, например карбоксильную (СООН) и аминогруппу (1ЧН 2):

1ШН(СН 2) п СООН- КМН(СН 2) п СООН КМН 2 (СН 2)„СООН.

в щелочной среде в кислой среде

К анионактивным ПАВ относятся:

• ? карбоновые кислоты (11СООН) и их соли (КСООМе);
• ? алкилсульфаты (К080 2 0Ме), а также вещества, содержащие другие типы анионных гидрофильных групп, например фосфаты (соли фосфорных кислот).

К катионактивным ПАВ относится ряд веществ. Основную группу представляют амины - азотсодержащие соединения, являющиеся продуктами замещения одного-трех атомов водорода в аммиаке Т^Нз органическими радикалами II. По числу замещенных атомов водорода различают первичные (1ШН 2), вторичные (К 2 1

К амфотерным ПАВ относятся белки, содержащие группы: -СОО и -МНз. Схематически молекулу амфотерного ПАВ можно представить в виде

НСЖИз-П-СОО.

Неионогенные ПАВ, растворяясь в воде, не образуют ионов. К группе неионогенных ПАВ относятся продукты ок-сиэтилирования длинноцепочных жирных кислот, спиртов, аминов; лигносульфоновые кислоты и др. Растворимость неионогенных ПАВ в воде обусловлена функциональными группами, имеющими сильное сродство к ней.

Значительный интерес для практики представляют крем-нийорганические ПАВ , к которым относятся низкомолекулярные соединения, имеющие в молекуле связь «кремний - углерод» (81-С), и функциональные группы, обеспечивающие их химическое взаимодействие с поверхностью различных материалов. Механизм взаимодействия кремнийорганических ПАВ с материалами заключается в следующем: их функциональные группы взаимодействуют как с функциональными группами материала, так и с водой, адсорбированной на его поверхности. При этом образуются силанолы, которые легко конденсируются и дают полиорганосилоксановую пленку, химически связанную с поверхностью материала. Наиболее доступными и эффективными из таких ПАВ являются алкил-хлорсиланы типа К лг 81С1 г/ .

Классификация ПАВ по механизму действия. П.А. Ребиндер разделил все ПАВ, учитывая их различное действие в дисперсных системах, на четыре группы.

К первой группе отнесены низкомолекулярные ПАВ, дающие истинные растворы в воде, например спирты. Они являются слабыми смачивателями и пеногасителями.

Ко второй группе относятся ПАВ, диспергаторы и эмульгаторы. Они не образуют сложных структур ни в объеме растворов, ни в поверхностных граничных слоях. Однако адсорбируясь на поверхности взаимодействующего вещества, эффективно понижают поверхностное натяжение жидкости или поверхностную энергию твердого тела, что значительно облегчает процесс образования новых поверхностей, т.е. диспергирования в данной среде. Применение ПАВ этой группы имеет большое практическое значение при помоле каменных материалов и получении гомогенных строительных композиций. К таким ПАВ относятся жирные кислоты, их водорастворимые соли, катионактивные основания и соли, а также крем-нийорганические соединения.

В третью группу объединены ПАВ, являющиеся хорошими стабилизаторами. У этих ПАВ поверхностная активность сравнительно мала вследствие симметричного распределения полярных и неполярных групп в молекулах. Однако они могут образовывать структурные гелеобразные защитные оболочки с гидрофильной поверхностью, что препятствует агрегированию частиц: коагуляции и коалесценции 1 .

ПАВ этой группы являются хорошими пластификаторами. В виде очень малых добавок они «разжижают» (пластифицируют) структуры, понижая их прочность и структурную вязкость, что позволяет уменьшить водопотребность строительных смесей. Используя эти ПАВ в цементных растворах и бетонах, можно переходить к жестким и вместе с тем однородным смесям, не повышая водоцементное отношение (В/Ц) для сохранения требуемой удобоукладываемости смесей. В целом подобные добавки повышают плотность бетона, что увеличивает его прочность и долговечность, а также позволяет получить экономию (Ю...20%) цемента. Такие добавки обеспечивают равномерное воздухововлечение бетонных смесей и образование в них замкнутой пористости вследствие равномерного распределения мелких, не сливающихся друг с другом пузырьков воздуха. Это значительно повышает морозостойкость бетона.

Большую практическую пользу приносят ПАВ этой группы и в технологии получения битумоминеральных материалов:

Повышают сцепление битума с минеральными заполнителями (песком и щебнем). Этот эффект достигается путем гидро-фобизации минеральных поверхностей в результате химической адсорбции ПАВ. Поверхность кремнеземистых (кислых) минеральных материалов (граниты, песчаники) гидрофоби-зируют катионактивными ПАВ, а поверхность минеральных материалов из карбонатных горных пород (известняки, доломиты) - анионактивными ПАВ, например высшими жирными кислотами (механизмы такого повышения адгезионного взаимодействия представлены на рис. 1.21);

коагуляция (от лат. coagulatio - свертывание, сгущение) -укрупнение твердых частиц в дисперсных системах.

Коалесценция (от лат. coalesce - срастаюсь, соединяюсь) - слияние капель жидкости при их соприкосновении.

Рис. 1.21.

различных горных пород:

а - кремнеземистая (кислая)порода; б - карбонатная порода

• ? обеспечивают равномерное перемешивание асфальтобетонной смеси;
• ? укрепляют, стабилизируют грунты, используемые в качестве конструктивного слоя дорожных одежд.

Четвертая группа ПАВ - это вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофоби-зирующим эффектами. Они являются эффективными эмульгаторами и стабилизаторами эмульсий. В эту группу входят мыла жирных кислот и аминов.

Классификация ПАВ по растворимости в воде и маслах. В некоторых случаях применяется классификация ПАВ на водорастворимые, водомаслорастворимые и маслорастворимые. Растворимость ПАВ в той или иной среде обусловливается, как уже отмечалось ранее, молекулярной структурой: количеством и активностью полярных функциональных групп и длиной углеводородного радикала.

Химически это совершенно разнообразная группа веществ, но общим является следующее: если хотя бы два вещества не растворяются друг в друге как, например, масло с водой, то добавление ПАВ их смешивает и образует однородную жидкость. Это очень ярко видно в случае мытья посуды: жир на поверхности тарелок очень виден и ощутим, но вода, особенно холодная, стекает по жиру, практически не смывая его. Стоит налить хоть немного моющего средства на тарелку, содержащего поверхностно-активные вещества и равномерно нанести его - как тут же вода будет стекать, унося за собой остатки жира. Жир, как и масло не растворяются в воде и нанесение ПАВ просто помогло маслу смешаться с водой, создавая эффект «растворения». На самом деле масло с тарелки превратилось из равномерного слоя на поверхности в тысячи мельчайших капелле масла, окруженных слоем ПАВ, которые вода легко унесла с собой с поверхности тарелки.

У молекулы поверхностно-активного вещества есть две отличительные части: голова и хвост. Голова молекулы ПАВ - является гидрофильной - любящей воду, а хвост - липофильным (любящим масло) и гидрофобным (боящимся воды). Когда такая молекула попадает в воду с каплями масла, то хвост поверхностно-активного вещества старается уйти из воды и расположится либо в масле, либо в воздухе, а голова напротив располагается в воде. Таким образом молекула рас полается так раз на границе воды и масла и создает эмульсию .

Типы поверхностно-активных веществ

В зависимости от химической природы различают: анионные, катионные, амфотерные и неионные (неионогенные) поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Анионные поверхностно-активные вещества

Анионные поверхностно-активные вещества (с отрицательно заряженной - головкой) - наиболее широко используемые моющие компоненты в косметике. Они недорогие, легки в приготовлении, и хорошо очищают. Кроме этого они легко смываются от волос , не образуя пленок и налета. Их моющий эффект одинаков как в холодной так и в горячей воде. Основной недостаток анионных ПАВ - в том, что они могут раздражать кожу. Для снижения раздражения в составы зачастую добавляют другие группы поверхностно-активных веществ.
Анионные ПАВ — это основные моющие компоненты шампуней, для получения эффекта эмульгирования их добавляют в красители .

Катионные поверхностно-активные вещества

Катионные поверхностно-активные вещества (с положительно заряженной головкой) - более слабые, как моющие вещества, чем анионные, и плохо вспениваются. Однако катионные ПАВ хорошо проявляют себя как кондиционирующие вещества для волос, придавая мягкость и послушность волосам. Они могут снимать отрицательный заряд с волос, чем обеспечивают антистатический эффект. Катионные ПАВ «утяжеляют» волос, делая его более послушным, облегчая расчесывание и укладку.

Так как катионные ПАВ имеют заряд противоположный анионным ПАВ, то ранее они не смешивались. Сейчас есть возможность компоновать их в одном флаконе, благодаря этому катионные ПАВ смягчают агрессивное действие шампуней, а в применении в качестве кондиционера могут нейтрализовать агрессивный эффект.
Катионные поверхностно-активные вещества наиболее часто встречаются в кондиционерах и масках для волос, так же шампунях для окрашенных волос и шампунях 2-в-1 . Так же их можно встретить в детских шампунях «без слез», так как они не вызывают раздражения глаз.

Амфотерные поверхностно-активные вещества

Амфотерные поверхностно-активные вещества могут содержать положительную или отрицательную группу в зависимости от рН . При этом они могут вести себя как катионные ПАВ при более низких значениях рН и анионные - при более высоких значениях рН. Пена этих поверхностно-активных веществ умеренная и придает управляемость волосам. Кроме этого группа амфотерных ПАВ минимально раздражает кожу головы и способна снимать уже имеющееся раздражение. Амфотерные ПАВ в сочетании с анионными улучшают пенообразующую способность и повышают безвредность рецептур, а при соединении с катионными полимерами усиливают положительное воздействие кондиционирующих добавок , таких как силиконы и полимеры, на волосы и кожу. Анионные ПАВ получают из натурального сырья, поэтому это достаточно дорогие компоненты.
Амфотерные ПАВ можно встретить в шампунях для детей (не раздражают глаза), специальных шампунях для поврежденных и тонких волос, шампунях 2-в-1, красках для волос, окислителях, а так же масках и кондиционерах.

Неионные поверхностно-активные вещества

Неионные поверхностно-активные вещества , вторая самая популярная группа ПАВ после анионных поверхностно-активных веществ, обладают полярными головками. Они являются самыми мягкими из всех поверхностно-активных веществ и используются в комбинации с анионными поверхностно-активными веществами как вторичный очиститель, а так же загуститель и стабилизатор пены.
Неионные ПАВ встречаются практически во всей косметике для волос, так как хорошо компонуются со многими веществами.