Практическое применение теоретических основ коллоидной химии. Некоторые примеры использования ПАВ

Реферат 

по  коллоидной химии  на тему: 

«Практическое применение теоретических основ  коллоидной  

химии. Некоторые примеры использования  ПАВ» 
 
 
 
 
 
 

Содержание.

1. Введение         3
2. Снижение трения и износа материалов     4
3. ПАВ как замедлители испарения      9
4. ПАВ в борьбе с загрязнениями      11
5. Заключение         14
6. Список литературы        15

Введение.

   В настоящее время во всех областях промышленности, народного хозяйства  и биологии применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ). По объему производства, ассортименту на мировом рынке и важности в хозяйстве ПАВ стоят на одном уровне с каучуками, красителями, взрывчатыми веществами и др. Мировое производство ПАВ достигает 3 кг на душу населения в гоя и все время растет.

   ПАВ применяют для самых различных целей: в качестве моющих агентов, для стабилизации дисперсных систем — эмульсий, пен, суспензий, для понижения прочности обрабатываемых материалов, покрытия поверхностей, например, с целью гидрофобизации или защиты от испарения, для флотации и т. д.

   Основные  объекты применения связаны с  использованием тех физических свойств  ПАВ, которые обусловливают их адсорбционную  способность.

   Теоретически  любое химическое соединение, имеющее  в молекуле гидрофильные и гидрофобные  участки, будет поверхностно-активным. Однако в действительности только некоторые из них являются эффективными моющими средствами, стабилизаторами эмульсий и пен, пленкообразователями и т. д.

   Перечислим  наиболее важные области применения ПАВ: интенсификация процесса диспергирования  твердых тел, бурение грунта и горных пород, улучшение смазочного действия, снижения трения и износа материалов, повышение нефтеотдачи, формирование и разрушение пен, регулирование процесса флотации, производство химических волокон, при механической обработке металлов, адсорбционное понижение прочности, регулирование смесей и других строительных материалов, улучшение структуры почв и преодоление эрозионных процессов, применение средств защиты растений.

СНИЖЕНИЕ  ТРЕНИЯ И ИЗНОСА МАТЕРИАЛОВ.

   Смазочные материалы применяют практически во всех областях техники. От качества смазочных материалов зависит работоспособность машин и механизмов, их надежность и долговечность. При использовании хорошей смазки коэффициент трения снижается на порядок, а износ уменьшается в тысячи раз.

   Ранее в качестве смазочных материалов применяли исключительно природные жиры, С развитием нефтеперерабатывающей промышленности для этой цели стали использовать нефтяные (минеральные) масла. В настоящее время широкое распространение получают синтетические продукты и, в частности, ПАВ. Предложено несколько тысяч различных по составу поверхностно-активных добавок к смазочным материалам. Обилие этих веществ не только свидетельствует об их техническом значении и разнообразии функций, но и указывает на недостатки общих принципов их разработки. Промышленное применение получили примерно 100 веществ и композиций.

 Действие  ПАВ в процессах трения обусловливается адсорбцией и гидрофобизацией поверхности, т. е. замещением полярной поверхности неполярной, обладающей малым силовым полем и, следовательно, слабо взаимодействующей.

   Важнейшими  характеристиками трения являются коэффициент трения μ и сила сдвига F в процессе движения. Основной закон трения (закон Амонтона) выражается уравнением: F =μР; его модификация

F = А + μР

называется  закон Амонтона—Кулона [здесь  Р — нагрузка (давление) на трущуюся плоскость; А — коэффициент, учитывающий силу адгезии скользящих поверхностей].

   Для анализа действия ПАВ как компонента смазки удобно процесс трения в присутствии  ПАВ представить в виде ряда элементарных актов, а для этого рассмотреть процесс идеального скольжения одной поверхности по другой и затем классифицировать отклонения от идеальности.

   Процесс идеального скольжения должен удовлетворять следующим условиям:

1. Поверхность гладкая на молекулярном уровне;
2. Сдвиг происходит между двумя мономолекулярными слоями, т. е. молекулы поверхностного слоя или смазки прочно удерживаются на поверхности трущихся тел и не десорбируются с поверхности при движении.

Последнее условие может быть записано как W_ад>ΔF_ид/Г, где ΔF_ид — энергия, необходимая для. отрыва 1 см² поверхности от подложки, связанная с силой сдвига F выражением F = ΔF_идl; l— расстояние; Г — число молекул ПАВ, адсорбировавшихся на единице поверхности, W_aд — работа адсорбции ПАВ.

    Соприкосновение двух трущихся поверхностей, покрытых слоями ПАВ, происходит по парафиновым цепочкам молекул ПАВ. Межмолекулярное взаимодействие между парафиновыми углеводородами осуществляется лишь дисперсионными силами. При сдвиге двух таких поверхностей следует разорвать межмолекулярные связи между двумя слоями парафиновых углеводородов, но не между твердой поверхностью и полярной группой молекулы ПАВ. Этот процесс подобен вязкому течению низкомолекулярных жидкостей и при увеличении давления сила сдвига должна изменяться настолько, насколько при этом изменяются межмолекулярные силы. 

Рис. 1. Зависимость силы сдвига F от нагрузки Р при использовании смазки вазелин — вазелиновое масло.

Площадь трущейся поверхности  S*10⁴, м²: 1, 3, 5 — 4,9; 2, 4, 6 — 2,25. Соотношение вазелин—вазелиновое масло (по массе): 1, 2 — 3:1; 3, 4 — 1:1; 5,6 — 1:3.

Рис. 2. Зависимость силы сдвига F от нагрузки Р для случаев несмазанной поверхности (1) и поверхностей, покрытых жидкой парафиновой смазкой (5) и слоями Лэнгмюра — Блоджет).

   В общем виде зависимость F от Р выражается кривыми, показанными на рис.1. Начальный участок этой зависимости параллелен оси абсцисс и определяется вязким течением, т. е. межмолекулярными силами. На рис. 2 приведены зависимости F от Рдля несмазанной поверхности и поверхностей, покрытых смазкой. В случае поверхности, покрытой монослоями ПАВ, участок, параллельный оси абсцисс, мал и не обнаруживается.

   Второй  типичной зависимостью для процесса трения является зависимость μ от Р (рис. 3). Участок этой зависимости при больших Р описывается законом Амонтона, а при малых нагрузках появляется зависимость от межмолекулярных сил. Действительно, из рис. 1 и 2 видно, что н начальном участке F не зависит от Р, но зато наблюдается явная зависимость от вязкости смазки и площади ползуна. Зависимость F от вязкости приведена на рис. 4. При отнесении F к площади ползуна 5 обе зависимости описываются одной линией. Следовательно, на этом участке F =f(η) описывается уравнением Ньютона для вязкого трения: F = ηSg, где g — dυ/dδ — градиент скорости. Таким образом, формула Амонтона—Кулона в случае жидких смазок складывается из законов Амонтона и Ньютона:

Эта формула хорошо описывает все  участки для случая жидкой смазки. 

Рис.3. Зависимость коэффициента трения д от нагрузки Р для поверхностей, покрытых монослоями Лэнгмюра — Блоджет:1 — октадециламин; 2 — октадециловый спирт; 3 — стеариновая кислота; 4 — лауриновая кислота.

   Переход от процесса, лимитируемого первым членом, к лимитированию вторым должен быть плавным при непрерывном движении ползуна, т. е. при динамическом трении, и скачкообразным при статическом, так как в последнем случае ползун удерживается силами межмолекулярного взаимодействия до отрыва его от подложки и влияние нагрузки будет наблюдаться при μP > А в формуле. Действительно, на рис. 1 и 2 наблюдается перегиб на зависимости F от Р, поскольку изучалось статическое трение.

   Для трения несмазанных поверхностей участок независимости F от Р значительно меньше, чем в присутствии жидкой смазки (см. рис. 2). Объясняется это тем, что хотя силовое поле исследуемых твердых поверхностей более значительно, чем углеводородов жидкой смазки, реализуется оно в меньшей степени в результате большего межмолекулярного расстояния. Как известно, твердые поверхности благодаря наличию шероховатости соприкасаются в малом числе точек, а в жидком состоянии межмолекулярное расстояние практически минимально.

   Если  при малых нагрузках сочетать преимущества числа контактов твердых  поверхностей с малым силовым полем парафиновых углеводородов, то можно ожидать, что участок F (Р) =const будет совсем малым, а усилие сдвига низким. Действительно, такая картина наблюдается на рис. 2, на котором сопоставлены результаты исследования несмазанных поверхностей и поверхностей, покрытых жидкой смазкой, а также монослоями.

   При малых нагрузках несмазанные поверхности имеют меньшее усилие трения, а следовательно, и коэффициент трения, чем в присутствии жидкой смазки. При больших нагрузках картина меняется на обратную. Поверхности, покрытые монослоями ПАВ, имеют всегда меньший коэффициент трения, чем в случае чистых поверхностей. Сравнение режимов работы поверхностей, покрытых монослоями ПАВ, и в присутствии жидкой смазки показывает, что при малых нагрузках трение меньше в случае твердых монослоев ПАВ, а при больших нагрузках зависимости инвертируются. Все эти зависимости хорошо объясняются формулой Амонтона — Кулона с независимыми членами А и μР, причем па начальном участке (при малом Р) А»μ,Р, а при большом Р, наоборот, μP»А. В соответствии с формулой Кулона зависимость μ=f((Р) должна быть гиперболой, что и наблюдается на приведенных рисунках.

   Из  данных рис. 3 следует, что коэффициент трения не зависит от длины алифатического радикала (в исследованных пределах) молекул ПАВ, нанесенных методом Лэнгмюра—Блоджет, и от природы полярной группы. Отсюда можно заключить, что при движении скольжение происходит по алифатическим радикалам молекулы ПАВ и что процесс близок к идеальному.

Для идеального процесса можно провести ориентировочный расчет силы, необходимой  для сдвига, и сопоставить его с экспериментом. Если принять, что взаимодействие в мономолекулярных слоях между алифатическими радикалами такое же, как в жидкости, то для сдвига требуется разорвать ¼ молекулярных связей групп, находящихся в контакте до начала движения. Следовательно, можно записать ΔG_η = ΔG_и/4. На одну группу — СН₂— ΔG_и, = 2,5 кДж/моль. На 1 м² поверхности располагается в предельном слое 8-Ю"⁶ молей карбоновых кислот нормального строения. Поскольку они имеют зигзагообразное строение цепи и, видимо, несколько наклонены к поверхности, то при движении в соприкосновении могут находиться 1—2 группы —СН₂— одной молекулы. Тогда энергия сдвига будет равна:

ΔF_ид = 5-5-10 мДж/м²

Это минимальное  значение энергии скольжения при нормальной температуре двух слоев, находящихся на том же межмолекулярном расстоянии, что и молекулы в жидкости. При исследовании сдвига слюдяных пластинок, покрытых монослоями ПАВ, получены минимальные значения силы сдвига, отнесенные к единице поверхности: