Поверхностно-активные вещества

Соединения, которые понижают поверхностное или межфазовое натяжение, известны под названием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако использование обычных углеводородных ПАВ имеет определенные ограничения: они неустойчивы в кислых растворах или при повышенной температуре. От всех этих недостатков свободны фторуглеродные ПАВ. Фторуглеродные поверхностно-активное вещество представляет молекулу, содержащую минимум четыре углеродных атома, один конец которой несет перфторалкильный радикал, а другой - функциональную группу X:

При использовании ПАВ было обнаружено, что требуемая концентрация вещества резко уменьшается с увеличением углеродной цепи. Для практического применения наиболее эффективными оказались соединения с семью и более углеродными атомами. Такая активность этих соединений объясняется низкой поверхностной энергией фторуглеродов, которая является следствием межмолекулярного взаимодействия. В то время как поверхностное натяжение углеводородов составляет 20-35 дин/см, поверхностное натяжение фторуглеродов колеблется от 9 до 15-18 дин/см. Введение фторуглеродных карбоновых кислот или их солей в количестве 1% уменьшает поверхностное натяжение воды с 72 до 15-18 дин/см. Типичные поверхностно-активные углеводородные соединения способны понизить поверхностное натяжение только до 23-32 дин/см.

Производные фторкарбоновых кислот могут получаться методом электрохимического фторирования, с помощью которого карбоновые или сульфокислоты и их ангидриды сравнительно легко превращаются во фторангидриды перфгоркарбоновых кислот.

В качестве примера фторуглеродных поверхностно-активных веществ можно привести следующий сульфофторид:

Поверхностную активность таких соединений в сильных минеральных кислотах можно объяснить высокой стабильностью фторуглеродного радикала и высокой растворимостью вещества в кислотах благодаря сульфогруппе, а также его способностью существовать в ионизированной форме. Во всех случаях поверхностное натяжение минеральных кислот становится ниже 20 дин/см (при концентрации таких ПАВ от 0,001 до 0,01%).

Фторуглеродные сульфонаты проявляют исключительную стабильность и не разлагаются до температуры 350°С.

Замещенные амиды перфторкарбоновых кислот уменьшают поверхностное натяжение высококипящих парафинов, минеральных масел и других органических жидкостей. Эти вещества сохраняют высокую поверхностную активность в галогенированных углеводородах, например в гексахлорбутадиене и трихлордифениле.

Фторуглеродные ПАВ успешно используются при хромировании металлов. Оказалось, что фторуглеродные ПАВ, например хромин, устойчивы по отношению к концентрированной хромовой кислоте в условиях сильного анодного окисления. Они эффективно снижают поверхностное натяжение электролита и препятствуют распылению раствора с поверхности гальванической ванны, благодаря чему при хромировании экономится до 20% хрома.

Некоторые фторуглеродные ПАВ используются в качестве добавок в пластические массы для уменьшения миграции пластификаторов. Таким образом удается препятствовать так называемому выпотеванию органических пластификаторов винильных полимеров.

Интересной является способность фторуглеродных ПАВ создавать поверхностный "барьер", который препятствует перемещению веществ на границы раздела фаз. Создавая пленку вещества на поверхности жидкости, можно предупреждать испарение летучих углеродов, например бензина и других горючих. В засушливых районах некоторые фторуглеродные ПАВ используются для уменьшения испарения воды из открытых водоемов? ПАВ образуют на поверхности жидкости плотный слой "кожи", задерживающий удаление пара.

Другая возможность создания фторуглеродного "барьера" используется в различных термопластичных системах. Асфальт, например, представляет собой смесь углеводородов - от светлых нефтепродуктов до нелетучих смол. При растворении фторуглеродных ПАВ в горячем асфальте наблюдается уменьшение миграции светлых продуктов с поверхности асфальта (выпотевание). Испытания показали, что такой асфальт приобретает маслоотталкивающие свойства и становится более устойчивым к воздействию воды и солнечного света.

Благодаря способности адсорбироваться на поверхности металлов и высокой химической стабильности фторированные ПАВ могут использоваться в различных системах в качестве ингибитора коррозии. Эти же соединения могут служить ингибиторами коррозии при введении их в раствор кислот или щелочей.

Фторорганические ПАВ способны уменьшать поверхностное натяжение между органической и неорганической средами. Эта способность при учете химической стабильности позволяет использовать их как средство для увеличения скорости реакции в гетерогенных системах с агрессивными веществами, когда применение углеводородных добавок исключается из-за их химической нестойкости. При добавлении C₂F₅C₆F₁₀SO₃H или ее солей в реакционную смесь при сульфировании бензола время реакции сокращается на одну треть.

Фторуглеродная часть молекулы ПАВ физиологически инертна, но благодаря введению некоторых функциональных группировок веществу в целом могут быть сообщены свойства активных бактерицидов. В связи с этим фторуглеродные вещества могут рассматриваться как смачивающие и диспергирующие агенты для решения задач микробиологии, когда биологическая активность является нежелательным фактором. Активные же фторуглеродные соединения могут выступать в двойной роли: в качестве ПАВ и биоцидов.

Фторуглеродные ПАВ употребляются для обработки шерстяных тканей с целью сделать их масло- и водоотталкивающими. Для этого используют вещества с функциональными группами, которые обеспечивают сорбцию или хемосорбцию его на поверхности волокна. Примером таких веществ служат хромовые комплексы фторкарбоновых кислот с длинной фторуглеродной цепью. Другой способ заключается в прививке к полимерной структуре фторированных соединений.

Эти ткани проявляют сопротивление водным и масляным краскам и таким образом приобретают завидное свойство - не пачкаться при попадании на них чернил, фруктовых соков, кофе, вина, а также восковых и масляных материалов.

Фторуглеродные вещества начинают использоваться при дублении кожи и так называемой жировке (пропитка материалов для придания им эластичности и прочности). Применение фторуглеродных хромовых комплексов для обработки кожи сообщает ей необходимые свойства - мягкость, упругость, эластичность, т. е. резко увеличивает сопротивляемость физическому воздействию и препятствует пропитке водой и маслом. Инертность фторуглеродов к биологическому воздействию способствует сохранению кожи от гниения и действия микроорганизмов. Изделия из обработанной фторуглеродами кожи лучше сохраняют форму и более долговечны.

Использование фторуглеродных аппретур для обработки шерстяных, Кожаных, а в последнее время и бумажных изделий делает только первые шаги и является новым и современным методом улучшения свойств этих материалов