ПОВЕРХНОСТНО_АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Если растворенное вещество понижает поверхностное натяжение растворителя, то в силу стремления свободной энергии жидкости к минимуму, растворенное вещество будет по возможности полнее переходить в поверхностный слой. Такое вещество будет плохо растворяться в жидкости, собираясь преимущественно в поверхностном слое. Подобные вещества называют поверхностно-активными (ПАВ). Первые порции ПАВ практически целиком собираются на поверхности жидкости. Накопление их продолжается до тех пор, пока вся поверхность жидкости не окажется занятой молекулами ПАВа.

Вещества, повышающие поверхностное натяжение, будут преимущественно собираться в объеме жидкости, а поверхностный слой будет состоять преимущественно из молекул растворителя. Эти вещества называют поверхностно-неактивными.

По отношению к воде (полярная жидкость) ПАВ являются многие органические соединения. Молекулы этих веществ велики, и различные их части могут по-разному взаимодействовать с водой.

Молекулы их состоят из длинной цепочки атомов углерода, оканчивающейся с одной стороны кислотной группой, способной при растворении отделять положительно заряженный атом водорода, а с другой стороны – атомом углерода, соединенным с тремя атомами водорода. Кислоты с большой углеводородной цепью в воде практически нерастворимы. (Олеиновая кислота С₈Н₁₇СН=СН(СН₂)₇СО— О^-Н⁺ своим полярным концом О^-Н⁺ притягивается к поверхности твёрдой фазы). Молекулы ПАВ располагаются в поверхностном слое упорядоченно – наподобие частокола.

Ионы диффузионных слоев создают электростатическое давление; сольватные оболочки лиофилизируют поверхность частиц, понижая поверхностное натяжение. Роль адсорбированных ПАВ и полимеров сводится к лиофилизации поверхности, а в случае гибких длинно-цепочных молекул – к развитию энтропийного фактора устойчивости вследствие ограничения подвижности цепей. Структурированные пленки могут создавать механический барьер с наружной лиофильной поверхностью, препятствующей сближению и слипанию частиц.

При стабилизации суспензий в углеводородных неполярных средах особенно сильное действий оказывают те ПАВ, полярные группы которых химически фиксируются на поверхностных атомах кристаллической решетки металлических частиц (адсорбция жирных кислот на частицах окислов или солей металлов, например, ZnO, Fe₂O₃, MgCO₃).

Концентрированные суспензии могут быть предельно устойчивыми в отношении практически полного отсутствия коагуляции только при наличии препятствующих сближению частиц или механических барьеров. Надежная стабилизация достигается применением веществ типа защитных коллоидов, т.е. высокомолекулярных веществ, образующих в дисперсионной среде, в ее объеме или вследствие адсорбируемости на самой поверхности дисперсной фазы, достаточно прочные пространственные структуры (сетки типа гелей, студней). При этом случаи предельной стабилизации представляют собой непрерывные переходы от образования структур только в адсорбционных слоях до структурирования всего объема дисперсионной среды.

По отношению к жидкой фазе (к жидкости - носителю) коллоидные кластеры могут быть разделены на лиофильные и л иофобные.

Лиофильные кластеры могут собирать на своей поверхности молекулы окружающей среды и образовывать с ними прочные сольватные комплексы. Кластеры этого типа окружены оболочкой, которая частично сохраняется и при переходе их в гелевую наносистему. Наиболее типичными представителями гидрофильных кластеров являются оксиды кремния, оксиды железа.

Лиофобные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя. Однако свойства их поверхности можно модифицировать ионами из раствора. При этом она приобретает положительный или отрицательный заряд.

В качестве примера реакций получения кластеров приведем реакцию химической конденсации, осуществляемой при получении нанокристаллов магнетита Fe₃О₄.

Химическая конденсация заключается в осаждении частиц магнетита из водного раствора солей двух– и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора щелочи:

.

Полученный осадок коллоидных частиц переводится в жидкость-носитель при помощи метода пептизации, суть которого заключается в образовании на поверхности частиц слоя молекул ПАВ. В результате происходит разъединение частиц и последующее диспергирование в жидкости-носителе.

Пептизацию проводят, добавляя при подогревании до 70–100 ⁰С и перемешивании к осадку магнетита раствор жидкости-носителя и ПАВ. Применяемые наиболее часто для получения МЖ магнетит и олеиновая кислота в отношении максимальной намагниченности с учетом простоты технологии являются оптимальными компонентами [40, 44]. Олеиновая кислота С₈Н₁₇СН=СН(СН₂)₇СО— О^-Н⁺ своим полярным концом О^-Н⁺ притягивается к поверхности твёрдой фазы, образуя на ней плотный мономолекулярный слой толщиной δ ≈2 нм (рис. 1.1,а) В неполярных дисперсионных средах (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) гибкие неполярные концы ПАВ, сродственные жидкости-носителю, направлены от частицы к жидкости.

Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, например, в воде, достигается характерным расположением двух слоев ПАВ (рис. 1.1,б): первый слой состоит из молекул олеиновой кислоты, второй – из молекул олеата натрия, при этом сродственные полярной жидкости-носителю полярные концы второго слоя ПАВ направлены от частицы к жидкости. В этом случае толщина защитной оболочки вдвое превышает толщину защитной оболочки магнетита, стабилизированного в углеводородных средах. Существуют МЖ на основе вакуумного, трансформаторного, вазелинового и некоторых других масел. Для создания электропроводных МЖ используют такие жидкости, как ртуть или эвтектический сплав индий — галлий — олово (ингас), в которых диспергируют частицы Fe, Ni, Co, стабилизированные оловом, висмутом, литием.

Дата добавления: 2015-06-25