ПАВ в краске - Surfactants in paint
Краска состоит из четырех основных компонентов: пигментов , связующих, растворителей и добавок. Пигменты служат для придания краске ее цвета, текстуры, прочности, а также для определения непрозрачности краски. Обычные белые пигменты включают диоксид титана и оксид цинка . Связующие вещества являются пленкообразующим компонентом краски, поскольку она высыхает и влияет на долговечность, блеск и гибкость покрытия. Полиуретаны, полиэфиры и акрилы - все это примеры распространенных связующих. Растворителем является средой , в которой все другие компоненты краски растворяются и испаряется при высыхании краски и лечений. Растворитель также изменяет скорость отверждения и вязкость краски в жидком состоянии. Есть два типа красок: краски на основе растворителей и краски на водной основе. Краски на основе растворителей используют органические растворители в качестве основного носителя, несущего твердые компоненты в составе краски, тогда как краски на водной основе используют воду в качестве непрерывной среды. Добавки, входящие в состав красок, представляют собой широкий спектр веществ, которые оказывают важное влияние на свойства краски и конечного покрытия. Обычными добавками к краскам являются катализаторы, загустители, стабилизаторы, эмульгаторы, текстуризаторы, биоциды для борьбы с размножением бактерий и т. Д.
Слово поверхностно-активное вещество является сокращением от поверхностно-активного вещества . 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 возникает в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на границе раздела воздух / вода. Растворимые поверхностно-активные вещества также способны образовывать мицеллы и другие агрегатные структуры в растворе, что приводит к стабилизирующему эффекту латексных красок. Поверхностно-активные вещества в краске используются для изменения многих конечных свойств высохшей краски, а также для эмульгирования красок в их жидком состоянии.
Роль поверхностно-активных веществ в краске
| % TiO 2 по объему | Модуль упругости (МПа) | Модуль упругости: удаленное поверхностно-активное вещество (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 присутствие поверхностно-активного вещества. Обратите внимание на изменение эффекта в зависимости от концентрации TiO 2 . |
||
Положительные эффекты
Поверхностно-активные вещества влияют на широкий спектр физических свойств красок. Поверхностно-активные вещества влияют на поведение краски не только в течение срока службы сформированного покрытия, но также на начальную агрегацию и образование пленки краски. Поверхностно-активные вещества также используются для стабилизации дисперсии полимерных частиц во время эмульсионной полимеризации в красках и других областях применения. Механическая стабильность, стабильность при замораживании-оттаивании и срок годности красок улучшаются за счет добавления поверхностно-активных веществ. Добавление поверхностно-активных веществ в краску также позволяет краске легче покрывать поверхность, поскольку поверхностно-активные вещества увеличивают смачивание раствора.
Отрицательные эффекты
Добавление поверхностно-активных веществ не всегда положительно сказывается на всех свойствах. Водостойкость покрытия можно снизить добавлением поверхностно-активного вещества, поскольку поверхностно-активные вещества могут быть очень растворимы в воде и легко вымываются с покрытия. Эта проблема влагостойкости является особенно распространенной проблемой при консервации произведений искусства, а также проблемами с адгезией, потерей оптической прозрачности и накоплением грязи, вызванными полиэфирными поверхностно-активными веществами в современной акриловой эмульсии, используемой в произведениях искусства с акриловыми покрытиями. В то время как 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. Было обнаружено, что эластичность латексных красок либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от количества присутствующего TiO 2 .
Эмульгирование
Латексные краски представляют собой эмульсию частиц полимера, диспергированных в воде. Макроэмульсии в латексной краске по своей природе нестабильны и разделены по фазам, поэтому поверхностно-активные вещества добавляются для снижения межфазного натяжения и стабилизации полимерных частиц для предотвращения деэмульгирования.
Анионные поверхностно-активные вещества, такие как додецилсульфат натрия, чаще всего используются для стабилизации эмульсий из-за их сродства к водородным связям с водной средой. Неионные поверхностно-активные вещества редко используются по отдельности из-за их меньшей эффективности в создании стабильных эмульсий по сравнению с анионными поверхностно-активными веществами. Из-за этого неионные поверхностно-активные вещества обычно используются в тандеме с анионными поверхностно-активными веществами и обеспечивают второй метод коллоидной стабилизации за счет стерического вмешательства сил Ван-дер-Ваальса между частицами полимера и пигмента. Латексы, требующие стабильности в больших диапазонах pH, используют большее соотношение неионогенных и анионных поверхностно-активных веществ. Катионные поверхностно-активные вещества используются реже из-за их высокой стоимости, неэффективной эмульгирующей способности и нежелательного воздействия на разложение инициатора. Высокоскоростное нанесение, хранение при низкой температуре, сдвиговые напряжения от перекачки и другие экстремальные условия хранения или нанесения могут привести к тому, что поверхностно-активное вещество не сможет адекватно стабилизировать дисперсию краски.
Термодинамическое объяснение деэмульгирования - это увеличение свободной энергии Гиббса в результате уменьшения общей площади высокоэнергетических поверхностных взаимодействий.
Энергия, полученная при деэмульгировании, зависит от общей площади поверхности раздела и поверхностного натяжения этой границы. Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение (γ), и, таким образом, энергия гиббса получается за счет деэмульгирования. Это замедляет процесс деэмульгирования и стабилизирует латексную краску.
Размер капель диспергированного полимера в латексной краске можно смоделировать с помощью следующего уравнения:
Радиус капли в эмульсии зависит от длины поверхностно-активного вещества L s , объемной доли дисперсной фазы φ d и объемной доли поверхностно-активного вещества φ s .
Классификация ПАВ
В красках используются три основных категории поверхностно-активных веществ: ионные, полимерные и электростерические.
По составу головной группы
Классификация поверхностно-активного вещества на головную группу определяется типом иона головной группы. Ионные поверхностно-активные вещества получают свою амфифильность из заряженной гидрофильной головной группы и, как правило, представляют собой небольшие молекулы с низким молекулярным весом. Ионные поверхностно-активные вещества будут стабилизировать частицы, взвешенные в краске, за счет электростатического отталкивания и легко адсорбируются и десорбируются с поверхности из-за своего небольшого размера.
Анионные головные группы имеют отрицательный заряд и обычно используются в чистящих средствах. Анионные поверхностно-активные вещества можно найти в таких продуктах, как шампуни, моющие средства для стирки и мыло из-за их способности удалять грязь с мягких материалов, таких как ткань. Анионные поверхностно-активные вещества легко суспендируются в воде из-за 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 применениях. Катионные поверхностно-активные вещества часто используют в смягчителях тканей. Катионные головные группы также добавляют в моющее средство для стирки вместе с анионными поверхностно-активными веществами, поскольку они помогают улучшить свойства анионных поверхностно-активных веществ по удалению грязи. Катионные головные группы также повышают дезинфицирующие свойства бытовых чистящих средств. Некоторые общие катионные поверхностно-активные вещества головные группы включают амины и ионы четвертичного аммония . Среди многих типов поверхностно-активных веществ катионные поверхностно-активные вещества являются очень полезными ингибиторами коррозии из-за их защитной эффективности в нейтральных и кислых средах.
Неионные головные группы не заряжаются и очень хорошо работают как удалители жира. Неионные поверхностно-активные вещества обычно используются в моющих средствах, мыле и бытовых чистящих средствах. В растворах с жесткой водой неионные поверхностно-активные вещества используются для ограничения дезактивации ионных поверхностно-активных веществ, вызванной ионами кальция и магния. Некоторые общие головные группы неионогенных поверхностно-активных веществ включают жирные кислоты и гликоли .
По составу хвоста
Углеводородные цепи представляют собой длинные цепи, которые состоят из заместителей водорода в углеродной основной цепи, что делает их очень гидрофобными. Сами по себе углеводородные цепи образуют воски и масла и сохраняют эти характеристики при включении в поверхностно-активное вещество. Хорошим примером поверхностно-активных веществ, содержащих углеводородную цепь, являются липиды, которые образуют клеточные мембраны.
Цепи алкилового эфира подобны углеводородным цепям, за исключением атомов кислорода, включенных в основную цепь, а также атомов углерода. В поверхностно-активных веществах обычно используются две алкильные цепи: оксид полиэтилена и оксид полипропилена. Цепи полиэтиленоксида имеют повторяющееся звено из кислорода и двух атомов углерода (-O-CH 2 -CH 2 -) n и обладают повышенным гидрофильным характером 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 имеет гидрофобность между углеводородами и полиэтиленоксидами.
Хвосты фторуглеродных цепей состоят из углеродного скелета, в котором вместо атомов водорода есть фторсодержащие заместители. Фторуглероды помогают снизить поверхностное натяжение воды и других растворителей из-за их липофобной природы даже в суровых условиях, таких как низкий pH. Когда фторуглероды вводятся в поверхностно-активные вещества, они используются в качестве пятновыводителей 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 сопротивляются гидролизу и предотвращают разрушение полимерных цепей, которые могут вызвать растрескивание краски, и поэтому используются в таких продуктах, как косметика, дезодоранты, пеногаситель и мыло.
Проблемы с использованием ПАВ
Экологические проблемы
Поверхностно-активные вещества могут дестабилизировать токсичные органические соединения в краске, которые могут попадать в окружающую среду и иметь негативные последствия. Водорастворимые поверхностно-активные вещества 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 проникать в окружающую среду.
Расходы
Стоимость поверхностно-активных веществ частично зависит от рынка сырой нефти. В качестве основного ингредиента для производства поверхностно-активных веществ этот рынок затронет краски, сильно зависящие от поверхностно-активных веществ. Более сложные поверхностно-активные вещества с более крупной структурой, которую труднее синтезировать, являются более дорогими в производстве и имеют большее влияние на конечную рыночную цену их применения. В результате более широко используются простые, легкие в производстве и более экологически чистые поверхностно-активные вещества.