Физико-химические основы действия поверхностно-активных веществ (ПАВ)
За последние годы у нас все шире применяются новые методы улучшения некоторых свойств цемента и бетона путем использования добавок органических веществ. Такое направление кажется, на первый взгляд, неожиданным, так как уже несколько десятилетий считалось, что многие органические соединения резко отрицательно влияют на твердение цемента.
Сущность поверхностных явлений, возникающих при процессах адсорбции, и особенности адсорбционных слоев заключаются в общих чертах в следующем. При процессах, в которых участвуют две соприкасающиеся фазы, огромное значение имеют свойства поверхности раздела — пограничного слоя, отделяющего одну фазу от другой. Число молекул на поверхностном слое какого - либо тела в сплошном куске ничтожно мало по сравнению с количеством молекул, содержащихся во всем объеме тела; поэтому поверхностные явления в таких случаях не играют большой роли. При значительном диспергировании тела число молекул, находящихся в поверхностном слое дисперсных частиц, возрастает. С увеличением степени дисперсности поверхностные пограничные слои приобретают большее значение, чем внутренние. Этим объясняется тот факт, что поверхностные явления в наибольшей степени проявляются в коллоидно- дисперсных системах, обусловливая их особые свойства.
Было установлено, что поверхность, отделяющая одну фазу системы от другой и называемая поверхностью раздела, обладает особым запасом поверхностной энергии, чем отличается по своим физико-химическим свойствам от внутренних частей обеих фаз. Образование этой поверхностной (свободной) энергии объясняют следующим. Каждая молекула, находящаяся внутри фазы, окружена себе подобными, благодаря чему силовое поле такой молекулы симметрично насыщено. У молекул же, находящихся на поверхности, часть силового поля находится вне фазы, вследствие чего оно является ненасыщенным; связь этой молекулы с другими — асимметричная. Ненасыщениость силового поля и является источником свободной (избыточной) энергии поверхности. Экспериментально определяется также удельная поверхностная свободная энергия, называемая поверхностным натяжением жидкости на границе с другой фазой,— обычно с насыщенным паром этой жидкости.
Существенное значение в процессах, происходящих на границе двух фаз, одна из которых является жидкостью, имеет полярность, которая, по П. А. Ребиидсру, называется «мерой напряженности межмолекулярных сил, действующих в данной фазе». Степень полярности жидкости может определяться ее диэлектрической постоянной, внутренним давлением, поверхностным натяжением на границе с какой-либо постоянной средой и др. С увеличением полярности жидкость ассоциируется в еще большей степени. Неполярные жидкости, как, например, некоторые углеводороды, вовсе неассоциирова - ны; они характеризуются наименьшими диэлектрической постоянной, внутренним давлением, поверхностным натяжением и т. д. Типичной полярной ассоциированной жидкостью считают воду.
Вещества, понижающие поверхностное натяжение, обычно положительно действуют в небольших концентрациях и их называют поверхностно-активными (либо адсорбционно-активными) веществами. Поверхностно- активные вещества обладают сравнительно малым поверхностным натяжением на границе с воздухом. Наиболее изучены из них соли высших жирных кислот (мыла), соли нафтеновых и сульфокислот, белковые вещества и др. [119]. Эти органические вещества содержат полярные группы (СООН, ОН) и неполярную углеводородную цепь. На границе раздела двух фаз, имеющих различную полярность, эти поверхностно-активные вещества ориентируются так, что полярная часть обращается в сторону полярной фазы — воды, а неполярная углеводородная цепь — в сторону неполярной фазы — воздуха.
Существенное значение в этом случае имеет длина углеводородной цепи. При малых ее размерах силы притяжения полярной цепи не уравновешиваются неполярной частью углеводородной цепи и полярная часть полностью растворяется в воде. С увеличением длины углеводородной цепи (неполярыой части) растворимость в воде уменьшается, так как из-за своей неполярности углеводородная цепь не имеет никакого сродства к воде. Такое расположение адсорбированных молекул в поверхностном слое уменьшает асимметричность силового поля, снижает его поверхностную (свободную энергию). В результате происходит адсорбция, и поверхностное натяжение раствора уменьшается. Это является причиной образования только мопомолекулярного слоя адсорбированных молекул, так как адсорбционные полярные молекулы, существенно уменьшая силовое пол« поверхностного слоя, делают практически невозможным дальнейшее энергичное их притяжение.
Таким образом, адсорбционные (насыщенные) слои представляют собой ориентированные полярные молекулы и обладают пониженным поверхностным натяжением. Слои эти характеризуются определенной поверхностной прочностью. Наибольшей поверхностной прочностью обладают пленки защитных коллоидов и полуколлоидов, а также поверхностно-активных веществ с высокой молекулярной массой, находящихся в растворе в виде молекул и ионов. От поверхностной прочности адсорбционных пленок зависит главным образом их защитное и стабилизирующее действие. Оно предотвращает коагуляцию частиц дисперсной фазы твердого вещества в концентрированной суспензии или, что то же самое, вызывает пептизацию коагуляционных структур, естественно образующихся в таких суспензиях за счет сцепления частиц между собой
Молекулярная природа в этом случае хорошо характеризуется отношением к смачиваемости, в зависимости от характера которой тела разделяются на гидрофильные— избирательно смачиваемые водой и гидрофобные— избирательно смачиваемые не водой, а углеводородными соединениями, такие, как бензол, керосин и т. п. Гидрофильными являются, главным образом, концентраты сульфитно-дрожжевой бражки; гидрофобными—мылонафт, асидол-мылонафт, олеиновая кислота и др. Эти органические вещества, специально добавляемые к цементам, улучшают его некоторые строительно-технические свойства. Использование указанных добавок ПАВ позволило организовать производство двух новых видов цемента — пластифицированного и гидрофобного.
