Каковы характеристики и области применения фторсодержащих ПАВ?

2025-04-09 08:47:51

I. Характеристики фторсодержащих поверхностно-активных веществ.

Фторповерхностно-активные вещества (сокращенно ФС) представляют собой поверхностно-активные вещества с особыми свойствами, которые в последние годы постепенно стали коммерциализироваться. В отличие от обычных поверхностно-активных веществ, фторированные поверхностно-активные вещества в основном используют перфторалкильные, перфторалкенильные или частично фторированные алкильные группы в качестве гидрофобной части поверхностно-активного вещества. Затем при необходимости вводят соответствующие связывающие группы и гидрофильные группы. В зависимости от природы гидрофильных групп получают различные серии фторсодержащих поверхностно-активных веществ, такие как анионные, катионные, неионные и амфотерные типы соответственно.

Благодаря особому строению фторсодержащих ПАВ атомы фтора замещают атомы водорода на гидрофобных группах обычных ПАВ, преобразуя структуру связи C – H в форму связи C – F. Таким образом, он демонстрирует некоторые превосходные свойства, уникальные для фторуглеродов, и в то же время обладает гидрофобными и олеофобными характеристиками. Высокая поверхностная активность фторсодержащих ПАВ обусловлена ​​чрезвычайно сильной гидрофобностью связей углерод — фтор в их молекулах и низкой межмолекулярной когезией. Он может снизить поверхностное натяжение воды до очень низкого значения при использовании очень малой концентрации. Обычно концентрация поверхностно-активных веществ с углеводородной цепью должна составлять от 0,1% до 1%. В это время поверхностное натяжение водного раствора можно снизить лишь до 30 – 35 дин/см (1 дин = 10⁻³ Н/м). Когда дозировка поверхностно-активных веществ с фторуглеродной цепью составляет от 0,005% до 0,1%, поверхностное натяжение водного раствора может быть снижено до менее 20 дин/см. Кроме того, фторсодержащие поверхностно-активные вещества также проявляют хорошую поверхностную активность в органических растворителях. Особенно при введении N-замещенного перфтороктамида можно снизить поверхностное натяжение углеводородных растворителей на 5-15 дин/см. Превосходная термическая стабильность и химическая инертность, демонстрируемые фторсодержащими поверхностно-активными веществами, обусловлены главным образом тем, что после того, как гидрофобная группа с фторуглеродной цепью заменяет гидрофобную группу с углеводородной цепью, поскольку энергия связи связи C-F (116 ккал/моль) больше, чем энергия связи C-H (99,5 ккал/моль), связь C-F более стабильна, чем связь C-H, и ее нелегко разорвать. Кроме того, после замещения атомов водорода атомами фтора из-за большего объема атомов фтора, чем атомов водорода, связь С-С защищается экранирующим действием атомов фтора, так что связь С-С с изначально не слишком высокой энергией связи также стабилизируется. Таким образом, фторсодержащие поверхностно-активные вещества обладают химической стабильностью и термической стабильностью, которой нет у углеводородных поверхностно-активных веществ. Например, температура использования C₉F₁₇OC₆H₄SO₃K может составлять около 300 °C, а промежуточный продукт C₉H₁₇OC₆H₅ этого соединения не будет разлагаться при обработке в 50% серной кислоте или 25% водном растворе гидроксида натрия при 80 °C в течение 48 часов.

Исследования показывают, что высокая поверхностная активность фторсодержащих ПАВ обусловлена ​​небольшой силой Ван-дер-Ваальса между их молекулами. Натяжение, необходимое для перемещения молекул ПАВ из водного раствора на поверхность раствора, невелико, что приводит к крупномасштабной агрегации молекул ПАВ на поверхности раствора, образуя сильную поверхностную адсорбцию. И такие соединения имеют низкое сродство не только к воде, но и к углеводородам. Таким образом, они обладают одновременно гидрофобными и олеофобными свойствами. Однако его влияние на межфазное натяжение на границе раздела нефть/вода не является сильным. Если фторсодержащие поверхностно-активные вещества используются в сочетании с углеводородными поверхностно-активными веществами, фторсодержащие поверхностно-активные вещества могут избирательно адсорбироваться на поверхности воды для снижения поверхностного натяжения, тогда как углеводородные поверхностно-активные вещества могут адсорбироваться на границе раздела масло/вода для уменьшения межфазного натяжения. Это, несомненно, улучшит смачиваемость водного раствора.

II. Применение фторсодержащих поверхностно-активных веществ

Учитывая характеристики фторсодержащих поверхностно-активных веществ, они имеют широкое применение в определенных областях, особенно в промышленной сфере различного применения. Основные приложения следующие:

(1) Дисперсность

Фторповерхностно-активные вещества можно использовать в качестве диспергаторов при дисперсионной полимеризации различных фторсодержащих смол. Фторповерхностно-активные вещества применяют в качестве диспергаторов при эмульсионно-дисперсионной полимеризации фторсодержащих мономеров, таких как тетрафторэтилен, хлортрифторэтилен, винилиденфторид. Их высокая диспергируемость может быть использована в средствах для обработки поверхности, таких как добавки для гальванотехники и чистящие средства.

(2) Обезвоживающие и разделительные агенты

Фторповерхностно-активные вещества обладают хорошими водоотталкивающими свойствами, что очень полезно при обезвоживании поверхности некоторых видов декоративных покрытий. Фторповерхностно-активные вещества также можно использовать в качестве антиадгезивов. Они не только обладают хорошими антиадгезионными свойствами для термопластичных полимеров, но также обладают превосходными антиадгезионными свойствами для термореактивных полимеров и силиконсодержащих резиновых эластомеров. На извлеченных заготовках нет загрязнения, а вторичная обработка (например, печать, покраска, склеивание и т. д.) может выполняться напрямую, а за одно использование можно выполнить несколько извлечений из форм. Разделительные агенты, приготовленные из фторсодержащих поверхностно-активных веществ, постепенно сформировали ряд продуктов, в том числе на основе растворителей и на основе воды. Его можно использовать не только в промышленности по переработке органических полимерных эластомеров, но и в промышленности по переработке твердых тел (например, при волочении медных и стальных труб, прессовании штифтов, штамповке литья под давлением и т. д.). В настоящее время фторсодержащие (высокоэффективные) разделительные средства получили высокую оценку пользователей в отраслях по переработке пластмасс и каучуков.

(3) Антистатики

Антистатик, приготовленный из фторсодержащих ПАВ, сочетающий в себе чистящую и пылезащитную функции, прошел испытания профильных ведомств: после поверхностной обработки основы пленки ПВХ ее поверхностное сопротивление снижается с исходных 10¹² Ом до 10⁸ Ом. В результате явление легкого поглощения пыли из-за статического электричества на поверхности основы пленки значительно снижается. Использование этого типа антистатика для очистки поверхности магнитного барабана и магнитной головки видеорегистратора дает гораздо лучший эффект, чем обычные чистящие средства или чистящие ленты, и позволяет продлить срок службы магнитного барабана и магнитной головки. После очистки пленки или граммофонной пластинки громкость во время воспроизведения можно увеличить на 3 дБ. Этот тип антистатика также можно использовать для очистки поверхностей и пылезащиты бытовой техники, пластиковых изделий, экранов телевизоров и другой высококачественной мебели и прецизионных инструментов без побочных эффектов.

(4) Выравнивающие агенты

Добавление небольшого количества поверхностно-активных веществ в такие продукты, как пигменты и покрытия, может предотвратить затвердевание, улучшить диспергируемость. Добавление их в покрытия и чернила может снизить их поверхностное натяжение, улучшить смачиваемость, предотвратить образование пузырьков и сделать цвет более однородным.

(5) Другие приложения

Добавление фторсодержащих поверхностно-активных веществ в воск для пола может улучшить блеск пола, повысить его износостойкость и противозагрязняющие свойства. Фторповерхностно-активные вещества также могут использоваться в качестве вспомогательных средств при нефтедобыче, средств для сбора нефти на морской поверхности, консервантов металлов, средств для придания блеска металлам и т. д.