Химия в строительстве. Конспект лекций

условно изобразить NanП. Тогда процесс умягчения воды можно схематически представить в виде уравнений реакции:

Обратимость реакций ионного обмена позволяет производить регенерацию (восстановление утраченной работоспособности) катионита. Этот процесс осуществляется путем выдерживания отработанного катионита в растворе, содержащем в больших концентрациях обменные ионы, например, в концентрированном растворе хлорида натрия.

Процесс регенерации можно представить схемой:

Умягчение воды ионообменным методом находит широкое применение в практике. Однако следует отметить, что общая соленость воды при этом методе не уменьшается.

21

ЛЕКЦИЯ 4. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (ПАВ)

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это химические со-

единения, способные накапливаться на поверхностях соприкосновения двух тел, называемых поверхностями раздела фаз. Адсорбция этих химических соединений из жидкости на поверхности раздела с другой фазой (жидкой, твердой или газообразной) приводит к значительному по-

нижению поверхностного натяжения.

ПАВ создают на поверхности частиц адсорбционно-сольватный защитный слой, препятствующий их сближению и коагуляции.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества понижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Адсорбирующиеся молекулы ПАВ имеют дифильное строение, то есть состоят из полярной группы и неполярного углеводородного радикала (дифильные молекулы).

Способностью понижать поверхностное натяжение обладают органические вещества с несимметричными дифильными молекулами, в которых имеются как полярные (гидрофильные), так и неполярные (липофильные) группы. Гидрофильные группы (-ОН, -СООН, -SO3H, -NH2 и т.п.) обеспечивают сродство ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные радикалы, как алифатические, так и ароматические) — сродство ПАВ к неполярным средам. Собственное поверхностное натяжение ПАВ должно быть меньше, чем у данного твердого тела или жидкости. В адсорбционном слое на границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы — в сторону полярной фазы, гидрофобные — в сторону неполярной.

Молекулы воды полярны: вода хорошо смачивает, например, поверхности некоторых силикатов, но не смачивает поверхности твердых углеводородов, например, полиэтилена, парафина, фторорганических, кремнийорганических полимеров и т.д.

П.А. Ребиндером было исследовано явление избирательного смачивания. Так, поверхность твердого тела находится в соприкосновении с водой или каким-либо неполярным растворителем (углеводородом).

22

Если вода лучше, чем углеводород, смачивает поверхность, то поверхность называют гидрофильной (олеофобной). Если поверхность лучше смачивается неполярным углеводородом, то такую поверхность твер-

дого тела называют гидрофобной (олеофильной).

При введении ПАВ в жидкую фазу (воду), наносимую на поверхность твердого тела, адсорбция происходит на границах раздела жидкости с воздухом и твердым телом.

К веществам поверхностно-активным относят, например, средние и высшие гомологи алифатических спиртов, карбоновых кислот и их производные.

При введении ПАВ поверхностное натяжение уменьшается и наблюдается улучшение смачивания поверхности.

Если ПАВ, растворенные в воде, способны к взаимодействию с поверхностью твердого тела, то можно проводить гидрофобизацию поверхности. Применение водного раствора ПАВ для гидрофобизации полярных поверхностей имеет преимущество, так как позволяет отказаться от использования огнеопасных и токсичных растворителей.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ

Она основана на химической природе молекул и включает четыре

основных класса ПАВ:

1)анионактивные;

2)катионактивные;

3)неионогенные;

4)амфотерные.

По типу гидрофильных групп различают неионогенные и ионогенные ПАВ.

Неионогеные ПАВ существуют в растворе в виде недиссоциированных молекул.

Ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе на ионы, одни из которых собственно и обладают поверхностной активностью, а другие — нет.

В зависимости от знака заряда поверхностно-активного иона ПАВ делят на катионактивные, анионактивные и амфотерные.

На практике чаще всего используют анионактивные ПАВ: карбоновые кислоты и их соли (мыла), алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкиларилсульфонаты, фенолы и др.

23

Анионактивные ПАВ содержат в молекуле одну или несколько полярных групп и диссоциируют в водном растворе с образованием длинноцепочечных анионов, определяющих их поверхностную активность. Это группы COOH(M), OSO2OH(M), SO3H(M), где есть M-металл (одно-, двухили трехвалентный). Гидрофобная часть молекулы обычно представлена предельными или непредельными алифатическими цепями или алкилароматическими радикалами.

Ванионактивных ПАВ катион может быть не только металлом, но

иорганическим основанием. Часто это диили триэтаноламин. Поверхностная активность начинает проявляться при длине углеводородной гидрофобной цепи C8 и с увеличением длины цепи увеличивается вплоть до полной потери растворимости ПАВ в воде.

Значительно меньшая доля в производстве ПАВ приходится на катионактивные (главным образом, на производные алкиламинов — первичных, вторичных и третичных).

Катионактивными называют ПАВ, молекулы которых диссоциируют в водном растворе с образованием поверхностно-активного катиона с длинной гидрофобной цепью и аниона — обычно галогенида, иногда аниона серной или фосфорной кислоты. Преобладающими среди катионактивных ПАВ являются азотсодержащие соединения.

Катионактивные ПАВ меньше снижают поверхностное натяжение, чем анионактивные, но они могут взаимодействовать химически с поверхностью адсорбента. Взаимодействие полярных групп катионактивных ПАВ с гидроксильными группами волокон целлюлозы приводит к гидрофобизации волокон и импрегнированию тканей.

Второе место по значению занимают неионные ПАВ — алифатические спирты и их полиоксиэтиленовые эфиры различной природы.

Амфотерные (амфолитные) ПАВ содержат в молекуле гидро-

фильный радикал и гидрофобную часть, способную быть акцептором или донором протона в зависимости от рН раствора. Обычно эти ПАВ включают одну или несколько основных и кислотных групп, могут содержать также и неионогенную полигликолевую группу. В зависимости от величины рН они проявляют свойства катионактивных или анионактивных ПАВ. В качестве катионной группы обычно служит первичная, вторичная или третичная аммониевая группа, остаток пиридина или имидазолина. Анионными группами являются карбоксильные, сульфонатные, сульфоэфирные или фосфатные группы.

24

ПРИМЕНЕНИЕ ПАВ

Мировое производство ПАВ составляет 2…3 кг на душу населения в год. ПАВ находят применение более чем в 100 отраслях народного хозяйства. Большая часть выпускаемых ПАВ используется в составе моющих средств, в производстве тканей и в изготовлении изделий на основе синтетических и природных волокон.

Применение ПАВ определяется их поверхностной активностью, структурой адсорбционных слоев и объемными свойствами растворов.

Примеры использования ПАВ в строительстве

Наиболее важной функцией ПАВ в промышленности строительных материалов является регулирование механических и реологических свойств бетонных смесей за счет адсорбции веществ модификаторов (эфиров синтетических жирных кислот). ПАВ, называемые пластификаторами, добавляют к цементно-песчаным смесям и бетонам для уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Это увеличивает конечную прочность (марку) затвердевшего материала, его плотность, морозостойкость и водонепроницаемость. Добавки ПAB пластифицируют бетонные и растворные смеси, что позволяет улучшить их удобоукладываемость, либо снижает количество воды затворения и расход цемента на 10…20 %, сохраняя удобоукладываемость.

Поверхностно-активные вещества вводят в малых дозах (0,05…0,3 % от массы цемента) в бетонные и растворные смеси в процессе их изготовления.

При неизменном количестве цемента происходит снижение размера пор бетона, повышающее егоморозостойкость и водонепроницаемость. При адсорбции цементом гидрофилизующих добавок происходит гидрофилизация частиц цемента, то есть улучшается смачивание водой. В результате повышаются пластичность цементного теста и подвижность бетонных смесей.

Молекулы гидрофобизирующих добавок адсорбируются на частицах цемента так, что их углеводородные радикалы обращаются наружу. Они не смачиваются водой и придают цементу гидрофобные свойства, что позволяет регулировать пластичность бетонной смеси и ее технологические параметры.

Способность бетона сопротивляться разрушению при замерзании порового раствора можно увеличить путем вовлечения воздуха и образования в бетоне пустот, за счет которых он может расширяться. При

25

обычном перемешивании получающиеся пустоты слишком велики и слишком удалены друг от друга. При добавлении соответствующего по- верхностно-активного вещества образуется стабильная пена, которая сохраняется в твердеющем тесте в форме близко расположенных сферических пор. Все это улучшает удобоукладываемость бетона, что позволяет уменьшить количество воды затворения.

26

ЛЕКЦИЯ 5. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Лакокрасочные материалы — композиции, способные обеспечить формирование на подложке (металлической, деревянной и др.) покрытий с заданным комплексом свойств.

Лакокрасочные покрытия выполняют защитные функции и обеспечивают необходимый внешний вид изделия.

КРАСКИ, ЛАКИ, ЭМАЛИ, ПОКРЫТИЯ. ТЕРМИНОЛОГИЯ

В состав красок входят следующие компоненты: пленкообразователи, пигменты, красители растворимые, наполнители, растворители, разбавители, а также целевые добавки.

На основе различных пленкообразователей получают не только краски, но и лаки, эмали, грунтовки, шпатлевки.

Лаки — растворы пленкообразователей, а часто и красителей в органических растворителях или воде.

Эмали — суспензии пигментов или их смесей с наполнителями в лаках.

Грунтовки — дисперсии пигментов и наполнителей в растворе или эмульсии пленкообразователя. Грунтовки служат для обеспечения адгезии покрытия при нанесении красок, эмалей, лаков, а также для придания подложке коррозионной стойкости.

Шпатлевки в своем составе помимо основного компонента — пленкообразователя — содержат наполнители и пигменты, при этом содержание наполнителя и пигментов превышает количество пленкообразователя. Шпатлевки применяют для заделывания различных дефектов (пор, углублений и т.п.) на окрашиваемой (защищаемой) поверхности.

Число различных слоев, из которых состоит система покрытия, будет определяться типом подложки и условиями эксплуатации окрашиваемого (защищаемого) объекта.

Необходимо учитывать и связь между этими слоями, принимая во внимание, что свойства каждого из слоев различны.

Кроме того грунтовка обеспечивает адгезию, а также может появиться необходимость уменьшить напряжения, которые возникают в

27

покрытии при отверждении вследствие появления хрупкости верхнего и промежуточного слоев в результате процесса старения при различных перемещениях подложки.

Цвет промежуточного слоя должен приблизительно соответствовать цвету верхнего слоя. Обычно содержание пигмента в промежуточном слоеболее высокое, так как верхний слой обеспечивает максимальный глянец и максимальную растяжимость.

При использовании грунтовок по стальным подложкам в их составе обязательно должна быть специальная добавка (в роли последней может быть подобран и соответствующий пигмент), тормозящая коррозионный процесс.

В некоторых случаях для улучшения адгезии и предотвращения сморщивания пленки грунтовку целесообразно наносить в два слоя.

Пленкообразователи

Пленкообразователи — вещества, образующие после высыхания сплошную тонкую твердую пленку на материале.

Органические пленкообразователи можно классифицировать,

например, в соответствии с их молекулярной массой: олигомерные и полимерные.

Олигомерные пленкообразователи не способны формировать твердые пленки в обычных условиях без дальнейших химических реакций. К ним относят алкидные смолы, полиуретаны, фенольные смолы, эпоксидные.

Полимерные пленкообразователи способны формировать каче-

ственные пленки без дополнительных химических превращений.Это нитроцеллюлоза, виниловые полимеры, акриловые.

Красители

Красители — вещества, получаемые методам органического синтеза и предназначенные для окраски различных материалов. В течение многих вековприменяли около трех десятков природных красителей. В настоящее время используются главным образом синтетические красители, их известны многие тысячи.

Нерастворимые красители называются пигментами. Растворимый краситель может стать пигментом благодаря переводу в нерастворимое производное (за счет образования соли или комплексных соединений с металлами). Такие нерастворимые производные органических красите-

лей называют пигментными лаками.

28

Ниже рассматривается пример азопигмента, содержащего азогруппу —N=N—. Пигмент желтый светопрочный отличается исключительной светостойкостью:

. (42)

Если азогруппа связывает бензольное ядро с нафталиновым, то возникает более сложная система сопряженных двойных связей, что приводит к сдвигу поглощения в длинноволновую область спектра, а пигмент приобретает оранжевые икрасные цвета. Например, пигмент алый имеет строение:

………

Пигментные лаки

Для получения пигментных лаков используют кислотные, основные и протравные красители. Пигментные лаки из кислотных красителей получают переводом их в нерастворимые соли бария, кальция, свинца, марганца и др. Для лакокрасочной промышленности наибольший интерес представляют соли азокрасителей. Пигментные лаки из азокрасителей называют азолаками. Из основных красителей получают лаки фанали, отличающиеся высокой светостойкостью, яркостью и насыщенностью цвета (применяются для росписи по стеклу).

Крашение — сложный физико-химический процесс. Учитывая разнообразие используемых в современной промышленности материалов, необходимо иметь в распоряжении большое число способов крашения и типов красителей. При всех вариантах крашения следует осуществлять более глубокие процессы, чем просто окрасить поверхность подложки: краситель должен внедриться в окрашиваемый материал. Также надо

29

удерживать краситель на материале и учитывать все проблемы, возникающие при эксплуатации. Одним из способов получения стойких окрасок является закрепление красителя с помощью химических реакций.

Возможны также образование водородных связей, комплексообразавание и сорбционное взаимодействие, вызванное диполь-дипольным, вандервальсовым взаимодействием и др. Для органических красителей, органических и неорганических пигментов появление окраски связано с поглощением электромагнитного излучения и переходом молекул в возбужденное состояние.

Пигменты

Пигменты представляют собой твердые частицы, практически нерастворимые в используемых пленкообразователях, растворителях и разбавителях, способные к диспергированию и обеспечивающие достижение оптимальных свойств, предъявляемых к лакокрасочным материалам и покрытиям.

К основным характеристикам пигментов относят: укрывистость,

красящую способность (интенсивность), цвет, кристаллическую структуру, дисперсность, смачиваемость, способность к взаимодействию с пленкообразователем, диспергируемость, свето- и атмосферостойкость, химическая стойкость.

Химическая природа пигмента

Укрывистость пигмента обусловлена его природой. Цветные пигменты имеют различную кроющую способность, причем у неорганических пигментов эта способность выше.

Химическая природа пигментов определяет их стабильность к действию тепла, растворителей, кислот, щелочей и других химических веществ. Так, пигменты, являющиеся продуктами азоконденсации, имеют исключительную термостойкость и стабильность к растворителям. Пигменты могут быть кристаллическими и аморфными.

Форма и размер частиц

Современная технология дает возможность контролировать форму и размер кристаллов. Таким образом можно получить требуемый цвет и полезные эксплуатационные характеристики покрытия. Форма и размер первичных частиц пигмента влияет на способ их упаковки в пленке и оказывает влияние на оттенок пигмента и полученного покрытия.

Более мелкие размеры частиц пигментов (менее 0,40 мкм) — более яркие, с более чистым оттенком.

30