1.4.2 Свойства кпав

Смачивание волокнистых материалов.

Достижение высокой скорости протекания технологических процессов отделки текстильных материалов, часто ограничивается скоростью их смачивания в водных растворах отделочных препаратов. Увеличение скорости их смачивания в водных растворах достигается введением в рабочие растворы или композиции специальных ПАВ, снижающих поверхностное натяжение (уменьшающий краевой угол смачивания) относительно обрабатываемых материалов [25].

Смачивание, явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другие жидкости. Оно выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью. Смачивание часто рассматривают как результат межмолекулярного (ванн-дер-ваальсого) взаимодействия в зоне контакта трёх фаз (тел, сред). Смачивание обусловлено не только межмолекулярным взаимодействием, но и образованием химических соединений, твёрдых и жидких растворов, диффузионными процессами в поверхностном слое смачиваемого тела.

Мерой смачивания обычно служит краевой угол θ между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания (рис. 2).

Рис. 2 Капля на твердой поверхности

Угол θ отсчитывают со стороны жидкости. При равновесном смачивании он связан с поверхностным натяжением жидкости (σ_ж), поверхностным натяжением твёрдого тела (σ_т) и межфазным натяжением на границе твёрдое тело — жидкость (σ_тж) уравнением Юнга: cosθ = (σ_т — σ_тж)/( σ_ж) [27].

Анализ уравнения Юнга, связывающего поверхностное натяжение взаимодействующих фаз с краевым углом смачивания показывает, что снижение межфазного натяжения между волокном и раствором σ_тж ведет к повышению cosθ, т.е. к уменьшению краевого угла смачивания. К этому же приводит и понижение поверхностного натяжения (рис. 3). Увеличение cosθ происходит до тех пор, пока краевой угол практически исчезает cosθ→1, так как движущая сила процесса смачивания определяется произведением σ_тж ·cosθ.

Рис. 3 Положение капли при различных условиях смачивания

В целом, основная роль смачивателя состоит в снижении межфазного натяжения относительно смачиваемого материала и некотором понижении поверхностного натяжения рабочего раствора, что способствует протеканию вторичных процессов смачивания, перемещению и вытеснению содержащегося в материале воздуха [25,27].

По химическому строению молекула смачивателей представляет соединения с функциональной группой, которая обеспечивает сродство к сильнополярным поверхностям и придает им растворимость в воде. В то же время эти соединения содержат гидрофильный остаток с низким сродством к водной фазе. В целом хорошей смачивающей способностью обладают ТВВ со сферической формой молекул, центральным расположением гидрофильной группы и максимальной разветвленностью гидрофобного остатка. Как правило, это анионоактивные ПАВ и смеси с НПАВ. Но по требуемой структуре молекулы смачивателя, можно сделать вывод, что КПАВ тоже могут использоваться. Он имеют длинный, в некоторых случаях не один, гидрофобный остаток (хвост) и центральную гидрофильную часть.

Смачиватели применяемые для процессов крашения не должны сильно вспениваться, иметь неприятный запах или быть токсичными. Этим требованиям как раз отвечают КПАВ.

Эмульсии и пены.

Эмульсии - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух практически взаимно-нерастворимых жидкостей, которые очень сильно отличаются друг от друга по характеру молекул. Эмульсии, в зависимости от объемного соотношения несмешивающихся жидкостей, могут быть типа «масло в воде» и «вода в масле», в первом случае непрерывная фаза эмульсии является водной, а во втором – представляет собой нерастворимую в воде жидкость. По однородности размера монодисперсные и полидисперсные.

Пена — дисперсная система, состоящая из пузырей газа, разделённых жидкой (или твёрдой) фазой. Жидкая пена образуется при смешении жидкости с газом, а также при кипении.

Для образования и стабильности эмульсий и пен используются ПАВ, которые носят названия эмульгаторы или пенообразователи. Такие вещества обладают способностью к понижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз и образованию на ней тонкого адсорбционного слоя молекул ПАВ, понижается интенсивность взаимодействия частиц дисперсной фазы.

Баланс между гидрофильной и гидрофобной частями молекул эмульгаторов или пенообразователей имеет решающее значение для оценки этого процесса и выражается в значениях гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) эмульгаторов. Существуют несколько методов расчета ГЛБ. Самый распространенный из них процентный метод аддитивности при расчете числа ГЛБ для функциональных групп ( по Дэвису) [26].

ГЛБ= 7+∑(чисел гидрофильных групп)+∑(чисел липофильных групп)

Таблица 5 – Числа ГЛБ по Дэвису

Группа	Число ГЛБ
Гидрофильные
-SO3Na	11,1
-SO4Na	35,7
-CO2K	21,1
-CO2Na	19.1
-N(третичные амины)	9,4
Сложноэфирная группа (сорбитановый цикл)	6,3
Сложноэфирная группа	2,4
-СO2H	2,1
-OH (свободный)	1,9
-О-	1,3
-OH (сорбитановый цикл)	0,5
Липофильные
-CF3	-0,870
-CF2-	-0,870
-CH3	-0,475
-CH2-	-0,475
	-0,475

При расчете и сравнении АПАВ, КПАВ и НПАВ можно сделать вывод, что для образовании эмульсий КПАВ применять лучше чем АПАВ и НПАВ.

На процесс пенообразования влияет: строение ПАВ, их концентрация (максимальное пенообразование соответствует ККМ), температура, pH, присутствие электролитов, поверхностное натяжение растворов и др. Стабильность пен характеризуется временем существования всего объема пен или его части. Кинетическая устойчивость пен может быть оценена по продолжительности истечения определенного объема междупленочной жидкости. Устойчивость пен из растворов НПАВ и КПАВ всегда меньше чем при применении АПАВ. С повышением температуры стабильность снижается из-за уменьшения вязкости пленок и увеличением скорости истечения жидкости (табл. 6) [25].

Таблица 6 – Пенообразующая способность ПАВ

Формула ПАВ в общем виде	R	Спав, %	Температура оС	Н, мм
	C7H15 C11H23	0,15	60	134 201
R-N+(CH3)2CH2-OSO2-	C12H25 C18H37	0,15	60	1030 130
R-SO3Na	C12H25 C18H37	0,25	60	210 230
R-COONa	C10H21 C18H37	0,30	25	175 25
	n=8 n=12	0,25	50	22 143

Из приведенной таблицы можно сделать вывод, что устойчивости КПАВ ниже, чем АПАВ и НПАВ, а следовательно их удобнее применять при отделке текстильных материалов. Так же следует заметить, что с увеличением длины радикала устойчивость пен уменьшается.

Поверхностный заряд и выравнивание окраски.

КПАВ оказывает влияние на скорость сорбции и растворимость красителя. При крашении синтетических волокон в составе текстильных изделий КПАВ, способствует замедлению процесса сорбции красителя и выравниванию окраски. Понижению зарядов красителя и волокна, образованию временных (лабильных) комплексов между положительно заряженным атомом азота и карбоксильной группой, препятствует солеобразованию между красителем и волокном (рис. 4).

Рисунок 4. – Изменение электростатических сил отталкивания поверхностью ПАН волокна в водном растворе, в присутствии КПАВ

КПАВ фиксируется на волокне слабыми связями, замедляя процесс сорбции красителя. Со временем КПАВ вытесняется, т. к. сродство ПАВ к волокну меньше чем у красителя. КПАВ используются как выравниватели.

Обработка ТВВ позволяет удалить электростатический заряд с гидрофобных синтетических волокон, в результате которой понижается коэффициент трения волокна и нитей, повышается их поверхностная проводимость [22-25].