Строение молекул поверхностно-активных веществ и их ориентация на поверхности тел

Важнейшее основное свойство поверхностно-активных веществ заключается в том, что молекулы таких веществ способны адсорбироваться на поверхностях тел, образуя при этом тончайшие слои [131]. Их толщина относится к диаметру цементной частицы примерно так, как толщина спички к высоте 30-этажного дома.

П. А. Ребиндер указал, что адсорбционный слой представляет собой нечто вроде двумерного кристалла, лежащего на поверхности частиц. Таким образом, в привычном для нас трехмерном пространстве как бы существует еще один мир поверхностно-адсорбционных слоев, который иногда образно называют двумерным. Такое определение не совсем точно, так как третье измерение (толщина или высота) у этих слоев есть, но оно несоизмеримо мало по сравнению с площадями, занимаемыми слоями. Приведенные сведения о топкости адсорбционных поверхностных слоев позволят понять, почему при изготовлении цементов, бетонов, растворов добавки ПАВ применяют в очень малых дозах в сотых или десятых долях процента массы цемента.

Рассматриваемые в книге поверхностно-активные вещества, являющиеся необходимым компонентом гидрофобно-пластифицирующих добавок, примечательны общим характером строения. В молекулах таких веществ содержатся полярная группа и углеводородный радикал. Полярная группа, представленная, например, гидроксилом ОН или карбоксилом COOH, гидрофильна, а углеводородный радикал гидрофобен. Иначе говоря, полярная группа имеет сродство к воде и к гидрофильным поверхностям твердых тел, например к цементу. Углеводородные же радикалы (цепи) обладают водоотталкивающей способностью, по отличаются сродством к маслам, жирам, битумам. Из-за таких свойств молекулы указанных ПАВ называют дифильными.

Дифильные молекулы адсорбированных веществ закономерно ориентируются в поверхностном слое: полярная группа молекул прочно связывается с поверхностью цементных частиц, а также с продуктами их гидратации; при этом углеводородные цепи обращены наружу. Возникает некоторое подобие «молекулярного ворса». Но при соприкосновении с маслом или нефтью молекула, наоборот, погружается (втягивается) в эту жидкость своим углеводородным радикалом.


Приводимый ниже пример может дополнить представление о закономерной ориентации дифильных молекул на поверхности твердого тела. Как известно, оперение водоплавающих птиц не смачивается водой, так как их жировые железы выделяют поверхностно-активные вещества, которые тончайшим слоем распределяются па перьях и их гидрофобизуют. Углеводородные радикалы (цепи) ориентированных молекул, обращенные наружу, отличаясь водоотталкивающей способностью, обладают сильным сродством к маслам. Бивали случаи, когда десятки тысяч уток-морянок, оставшихся зимовать у морского побережья, попадали в так называемые нефтяные пятна в море и затем погибали. Это происходило потому, что к углеводородным радикалам молекул, находящихся в жировой смазке оперения, прочно примыкали частицы нефти. Птицы не могли их ни стряхнуть, ни смыть и поэтому теряли способность летать и плавать.

Важно, что вещества, содержащие ПАВ в гидрофобно-пластифицирующих добавках, обычно имеют кислотный характер (например, нафтеновые, жирные кислоты, кубовые остатки СЖК), поэтому процесс адсорбции часто сопровождается химическим взаимодействием ПАВ с ионами кальция цемента, т. с. происходит хемосорбция молекул ПАВ.

При ознакомлении с понятием о закономерной ориентации молекул ПАВ в адсорбционных слоях у читателя может возникнуть следующий вопрос. Допустим, что дифильные молекулы, адсорбируясь па цементе, придали ему гидрофобные свойства. Как же смешать гидрофобный цемент с водой? Оказывается, что при изготовлении бетонных и растворных смесей адсорбционные слон легко нарушаются (сбиваются), цемент реагирует с водой как обычно и никакого дополнительного перемешивания не нужно. Но сами молекулы ПАВ при этом, конечно, не исчезают. Присутствуя в бетонных (растворных) смесях, они повышают пластичность смесей и далее, оставаясь в затвердевших материалах, в большей или меньшей степени их гидрофобизуют, улучшая тем самым свойства бетонов и растворов в отношении действия воды, агрессивных водных сред и замораживания.