Взаимодействие растворов катионактивных ПАВ с поверхностью оксидов металлов в условиях статического и динамического смачивания

• Автор: Вершинина, Ольга Владимировна
• Шифр специальности: 02.00.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 154 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение
2. Обзор литературы
2.1. Физико-химические свойства поверхности твердых тел оксидной 4 природы
2.2. Физико-химические свойства ПАВ
1) Особенности строения, классификация
2) Мицеллообразование
3) ДЭС мицелл ионогенных ПАВ
4) Адсорбция ионогенных ПАВ на границе твердое тело - раствор
2.3. Углы смачивания контактное смачивание
2.4. Теплоты смачивания иммерсионное смачивание
3. Методики экспериментов
3.1. Определение поверхностного натяжения
3.2. Измерение углов смачивания
3.3. Исследование состава раствора?Лйё;)йщодейств11Я с твердой 50 поверхностью
3.4. Капиллярное поднятие в одиночных капиллярах
3.5. Капиллярное поднятие в порошковых диафрагмах
3.6. Измерение теплот смачивания
3.7. Определение удельной поверхности порошков
3.8. Статистическая обработка результатов эксперимента
4. Объекты исследования
5. Результаты экспериментов
5.1. Изотермы поверхностного натяжения растворов ПАВ
5.2. Контактное смачивание поверхности твердых тел растворами ПАВ
5.3. Иммерсионное смачивание поверхности кварца растворами ЦЭДАБ
5.4. Динамическое смачивание поверхности кварца растворами ЦЭДАБ
5.5. Исследование адсорбции ЦЭДАБ и ЦТАБ на поверхности твердых 91 тел оксидной природы в условиях, обеспечивающих различный заряд поверхности
5.6. Исследрование динамической адсорбции ЦЭДАБ на поверхности 96 кварца в условиях капиллярного поднятия и фильтрации
5.7. Обощение результатов
6. Выводы
7. Литература
8. Приложение

1. ВВЕДЕНИЕ.
Исследование всевозможных аспектов взаимодействия твердых тел различной природы с растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) имеет не только большое теоретическое значение, но и значительное практическое применение в связи с проблемой управления процессами смачивания путем добавления ПАВ. Для изучения этой проблемы используются самые разные явления и методики [1-7]. Большое внимание уделяется изучению адсорбции ПАВ на поверхности твердого тела [1-3, б, 7]. Разработан ряд теорий, которые в большей или меньшей степени описывают процессы, протекающие на границе раздела фаз [1, 6]. Однако единое согласованное представление, которое удовлетворительно объясняло бы процесс адсорбции для разнообразных комбинаций ПАВ - твердое тело, в настоящее время еще не выработано.
В [8, 9] было показано, что комплексное изучение теплот и углов смачивания поверхности кварца водными растворами электролитов и анализ состава раствора после взаимодействия позволяют достаточно полно характеризовать процесс взаимодействия поверхности твердого тела с раствором. Однако к растворам ПАВ такой подход до настоящего времени не применялся. Учитывая относительно большой (в сравнении с неорганическими электролитами) молекулярный вес ПАВ и, как следствие этого, сравнительно небольшие коэффициенты диффузии и большие времена релаксации молекул ПАВ в водных растворах, большое значение имеет изучение динамики процессов взаимодействия растворов ПАВ с поверхностью твердого тела, в частности динамики смачивания. К сожалению, до настоящего времени таких исследований практически не проводилось.
Целью настоящего исследования является изучение взаимодействия водных растворов катионактивных ПАВ (в частности, адсорбции, теплот и углов смачивания) с поверхностью оксидов кремния и железа в процессах статического и динамического смачивания.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
В нашей работе процесс взаимодействия твердого тела с раствором рассматривается с различных точек зрения. При обсуждении полученных результатов используются данные о строении и свойствах поверхности твердых тел оксидной природы, а также об особенностях поведения ПАВ в водных растворах. Обзор литературы состоит из нескольких разделов.
2.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ОКСИДНОЙ ПРИРОДЫ.
В настоящее время существует большое количество работ по физико-химии поверхности оксидов. По принятой современной классификации [10] оксидные соединения относятся к «ионным» твердым телам, т.е. веществам, в которых можно выделить катионы и анионы. Один из подходов, используемых для описания поверхности твердых тел, - рассмотрение «поверхностных центров», обладающих какой-либо химической активностью.
Для оксидов, прежде всего, характерны кислотно-основные центры. Их подразделяют на центры Льюиса и Бренстеда. Первые - это центры, имеющие свободную орбиталь с высокой энергией сродства к паре электронов (катион металла); вторые характеризуются тенденцией отдавать протон. В присутствии воды эти два вида центров могут переходить друг в друга:
Ь+ + Н20 = (Ь : ОН)-НД (1)
где Ь+ - центр Льюиса; (Ь : ОН)*Н8+ - центр Бренстеда с адсорбированным протоном Н3 . В качестве основных центров Льюиса выступают ионы кислорода в решетке оксидов; основные центы Бренстеда представляют слабо связанные с поверхностью ионы ОН". Поскольку процессы взаимодействия с водой оказываются

скоростях, меньших 1,3-10'3 см/сек, величина 9 не зависит от скорости и равна величине равновесного угла смачивания. Авторы [127] проанализировали зависимость cos 9 = f (lg V) в рамках теории Блейка и Хэйнса. По тангенсу угла наклона экспериментальной прямой и отрезку, отсекаемому ею на оси абсцисс, были вычислены величины Ап, К и А,, входящие в уравнение (28): Дп =1,4 -1014 см'2; К = 2,5-104 сек'1 ; X = 9,86 нм . Как видно, они имеют вполне реальные значения. Величина Ап находится в удовлетворительном согласии с порядком величины поверхностной концентрации ОН-групп на поверхности кремнеземов, равной 4,2-1914 см'2, из данных ЯМР. Была рассчитана теоретическая зависимость cos9 = f (lg V), которая совпала с экспериментальной, что может служить доказательством правильности механизма, предложенного Блейком и Хэйнсом для объяснения зависимости угла смачивания от скорости при движении жидкости по поверхности сухого твердого тела.
В работе [128] представлены результаты исследования температурной зависимости динамических углов смачивания (температура варьировалась в диапазоне 29-70°С). Для дегидроксилированного стекла зависимость cos9 = f(T°C) имеет линейный характер. Экстраполяция cos9 до Т=100°С дает величину ~ 9,97, которая соответствует величине cos9 для поверхности регидроксилированного стекла [129]. Полученные результаты привели автора к выводу, что увеличение температуры ускоряет процесс регидроксилирования стеклянной поверхности.
В работе [128] было также обнаружено, что область зависимости cos9 от lgv может быть представлена двумя линейными участками с различным наклоном. При этом выяснилось, что величины К (рассчитанные по уравнению (26)) для участков меньшего наклона (при небольших скоростях) с увеличением температуры растут в соответствии с теорией абсолютных скоростей реакций, а для участков большего наклона (при повышении скорости движения ТФГ) такой зависимости нет. Отсутствие зависимости было объяснено повышением температуры в зоне ТФГ и ускорением процесса регидроксилирования.