Поверхностно-активные вещества в краске - Surfactants in paint

Основная статья: Краска

Краска состоит из четырех основных компонентов: пигменты, связующие, растворители, и добавки. Пигменты служат для определения цвета, текстуры, прочности краски, а также для определения непрозрачности краски. Общие белые пигменты включают: оксид титана и оксид цинка. Связующие вещества являются пленкообразующим компонентом краски по мере высыхания и влияют на долговечность, блеск и гибкость покрытия. Полиуретаны, полиэфиры и акрилы - все это примеры распространенных связующих. В 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. 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 рецептуре 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 ростом бактерий и т. Д.

Основная статья: Поверхностно-активное вещество

Слово поверхностно-активное вещество это сокращение от поверхностно-активный агент.^[1] Поверхностно-активные вещества представляют собой соединения, которые снижают поверхностное натяжение жидкости, межфазное натяжение между двумя жидкостями или межфазное натяжение между жидкостью и твердым телом. В решениях такое поведение известно как смачивание, и это происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на границе раздела воздух / вода.^[2] 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

% TiO2 по объему	Модуль упругости (МПа)	Модуль упругости при удалении поверхностно-активного вещества (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.[3] Обратите внимание на изменение эффекта в зависимости от TiO.2 концентрация.

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 хранения 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.^[4]

Отрицательные эффекты

Добавление поверхностно-активных веществ не всегда положительно влияет на все свойства. Водостойкость покрытия можно снизить добавлением поверхностно-активного вещества, поскольку поверхностно-активные вещества могут быть очень водорастворимыми и легко вымываются с покрытия.^[3] Эта проблема влагостойкости является особенно распространенной проблемой для консервации произведений искусства, а также проблемы с адгезией, потерей оптической прозрачности и улавливанием грязи, вызванные полиэфирными поверхностно-активными веществами в современной акриловой эмульсии, используемой в произведениях искусства с акриловыми покрытиями.^[5] 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.^[6] Было обнаружено, что эластичность латексных красок увеличивается или уменьшается в зависимости от количества TiO.₂ настоящее время.^[3]

Эмульгирование

Мицелла поверхностно-активного вещества вокруг полимерной цепи.

Латексные краски представляют собой эмульсию частиц полимера, диспергированных в воде. Макроэмульсии латексные краски по своей природе нестабильны и разделены на фазы, поэтому поверхностно-активные вещества добавляются для снижения межфазного натяжения и стабилизации полимерных частиц, чтобы предотвратить деэмульгирование.^[7]

Анионные поверхностно-активные вещества, такие как додецилсульфат натрия, чаще всего используются для стабилизации эмульсий из-за их сродства к водородной связи 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 посредством стерического вмешательства сил Ван-дер-Ваальса между частицами полимера и пигмента. Латексы, требующие стабильности в больших диапазонах pH, используют большее соотношение неионных 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.^[8] Высокоскоростное нанесение, хранение при низких температурах, 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.

Термодинамическое объяснение деэмульгирования - это увеличение свободной энергии Гиббса в результате уменьшения общей площади высокоэнергетических поверхностных взаимодействий.

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

Энергия, полученная в результате деэмульгирования, зависит от общей площади поверхности раздела и поверхностного натяжения этой поверхности. 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:

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

Радиус капли в эмульсии зависит от длины поверхностно-активного вещества, L_s, объемная доля дисперсной фазы, φ_d, и объемная доля ПАВ φ_s.^[7]

Классификация поверхностно-активных веществ

В красках используются три основных категории поверхностно-активных веществ: ионные, полимерные и электростерические.^[9]

По составу головной группы

Додецилсульфат натрия, распространенное анионное поверхностно-активное вещество.

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.^[9]

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: 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 добавляются 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. Головные группы некоторых распространенных катионных поверхностно-активных веществ включают: амины и четвертичный аммоний ионы. 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.^[10]

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 неионных поверхностно-активных веществ включают: жирные кислоты и гликоли.

По составу хвоста

Углеводородные цепи - это 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 кислород и два углерода (-O-CH₂-CH₂-)_п повторяющееся звено и имеет повышенный гидрофильный характер 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.

Фторуглерод хвосты цепи состоят из углеродного скелета, у которого 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.

Кремний-кислородные связи препятствуют разрыву цепи в результате гидролиза и предотвращают растрескивание красок.

Силоксан Цепи состоят из основной цепи, которая содержит 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.^[11]

Проблемы с использованием ПАВ

Экологические проблемы

Поверхностно-активные вещества могут дестабилизировать токсичные органические соединения в краске, которые могут попасть в окружающую среду и иметь негативные последствия.^[4] Водорастворимые поверхностно-активные вещества могут вымываться из засохших красок и попадать в окружающую среду. Некоторые из этих поверхностно-активных веществ прямо токсичны для животных и окружающей среды, а также увеличивают способность других токсичных загрязнителей проникать в окружающую среду.^[12]

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.^[13] Более сложные поверхностно-активные вещества с более крупной структурой, которую труднее синтезировать, являются более дорогими 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.^[14]

Рекомендации

1. Розен MJ (сентябрь 2010 г.). Поверхностно-активные вещества и межфазные явления (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. п. 1. Проверить значения даты в: | год = / | дата = несоответствие (помощь)
2. М. Р. Бреслер и Дж. П. Хаген (2008). «Адсорбция диэтилового поверхностно-активного вещества: пересмотренная лаборатория физической химии». Журнал химического образования. 82 (2): 269–271. Дои:10.1021 / ed085p269.
3. EWS Hagan; М. Н. Хараламбидес; CRT Young; TJS Learner; С. Хакни (2010). «Вязкоупругие свойства пленок латексной краски при растяжении: влияние неорганической фазы и поверхностно-активных веществ». Прогресс в органических коатинах. 69 (1): 73–81. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2010.05.008.
4. Р.Е. Скокина; Л.И. Ворончихина (2003). «Защитные свойства поверхностно-активных веществ на основе диметиламиноэтанола». ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ. 39 (3): 288–290. Дои:10.1023 / А: 1023979523413.
5. Ученик, Том. Современные краски открыты: Материалы симпозиума "Современные краски открыты". Лос-Анджелес: Институт сохранения Гетти, 2007.
6. Л. Н. Батлер; CM Fellows; Р.Г. Гилберт (2005). «Влияние поверхностно-активных веществ, используемых для синтеза связующего, на свойства латексных красок». Прогресс в органических покрытиях. 53 (2): 112–118. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2005.02.001.
7. Батт, Ханс-Юрген; Майкл Каппл; Карлхайнц Графф (2006). Физика и химия интерфейсов. Вайли-ВЧ. ISBN  978-3-527-40629-6.
8. Вайс П. (1981), Принципы полимеризации, 2-е изд., Джордж Одиан, Wiley-Interscience, Нью-Йорк, 1981, 731 стр. J. Polym. Sci. B Polym. Lett. Ed., 19: 519. doi: 10.1002 / pol.1981.130191009
9. Л. Н. Батлер, К. М. Стипендиаты и Р. Г. Гилберт (2005). «Влияние поверхностно-активных веществ, используемых для синтеза связующего, на свойства латексных красок». Прогресс в органических покрытиях. 53 (2): 112–118. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2005.02.001.
10. Скокина Р. Е., Ворончихина Л. И. (2003). «Защитные свойства поверхностно-активных веществ на основе диметиламиноэтанола». Защита металлов. 39 (3): 288–290. Дои:10.1023 / А: 1023979523413.
11. Пэн Чжунли (15 июня 2009 г.). «Синтезы и свойства устойчивых к гидролизу двуххвостых трисилоксановых поверхностно-активных веществ». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты. 342 (1–3): 127–131. Дои:10.1016 / j.colsurfa.2009.04.028.
12. Меткалф, Трейси Л .; Диллон, Питер Дж .; Меткалф, Крис Д. (2008). «ОБНАРУЖЕНИЕ ТРАНСПОРТА ТОКСИЧНЫХ ПЕСТИЦИДОВ С ПОЛЯ ДЛЯ ГОЛЬФА В ВОДНЫЕ ПЛОЩАДКИ В ПРЕКАМБРИЙСКОМ РЕГИОНЕ ЩИТОВ ОНТАРИО, КАНАДА». Экологическая токсикология и химия. 27 (4): 811–8. Дои:10.1897/07-216.1. PMID  18333674.
13. "Обзор рынка: Мировой рынок ПАВ". Acmite Market Intelligence. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)
14. У Шёнкаэс (2005). «ЛАС - современное классическое ПАВ». CHIMICA OGGI-CHEMISTRY СЕГОДНЯ. 16 (9): 9–13.