Jakie są właściwości i obszary zastosowań fluorowanych środków powierzchniowo czynnych?

2025-03-25 07:36:57

I. Charakterystyka fluorowanych środków powierzchniowo czynnych

Fluorowane środki powierzchniowo czynne (w skrócie FS) to specjalny rodzaj środków powierzchniowo czynnych, który w ostatnich latach stopniowo stał się komercyjny. W przeciwieństwie do zwykłych środków powierzchniowo czynnych, fluorowane środki powierzchniowo czynne wykorzystują głównie grupy perfluoroalkilowe lub perfluorowinylowe, lub częściowo fluorowane grupy alkilowe jako hydrofobową część środka powierzchniowo czynnego, a następnie w razie potrzeby wprowadzają odpowiednie grupy łączące i grupy hydrofilowe. W zależności od charakteru grupy hydrofilowej można wytworzyć różne serie produktów fluorowanych środków powierzchniowo czynnych, takie jak produkty anionowe, kationowe, niejonowe i amfoteryczne.

Ze względu na specjalną strukturę fluorowanych środków powierzchniowo czynnych, atomy fluoru zastępują atomy wodoru na grupie hydrofobowej zwykłych środków powierzchniowo czynnych, przekształcając strukturę wiązań C-H w wiązania CF. Dlatego wykazuje pewne doskonałe właściwości, unikalne dla fluorowęglowodorów i ma właściwości zarówno hydrofobowe, jak i oleofobowe. Wysoka aktywność powierzchniowa fluorowanych środków powierzchniowo czynnych zależy od niezwykle silnej hydrofobowości ich molekularnych wiązań węgiel-fluor oraz niższej wewnętrznej spójności molekularnej. Potrafi obniżyć napięcie powierzchniowe wody do bardzo niskiej wartości, przy bardzo małym stężeniu. Ogólnie rzecz biorąc, stężenie środków powierzchniowo czynnych o łańcuchu węgiel-wodór musi wynosić od 0,1% do 1%. W tym momencie napięcie powierzchniowe roztworu wodnego można obniżyć jedynie do 30 do 35 dyn/cm (1 dyn = 10-3 N/m). Gdy ilość środka powierzchniowo czynnego wiążącego węgiel-fluor wynosi od 0,005% do 0,1%, napięcie powierzchniowe roztworu wodnego można zmniejszyć do wartości poniżej 20dyn/cm. Ponadto fluorowane środki powierzchniowo czynne wykazują również dobrą aktywność powierzchniową w rozpuszczalnikach organicznych, szczególnie po wprowadzeniu N-podstawionego perfluorooktanamidu, który może obniżyć napięcie powierzchniowe rozpuszczalników węglowodorowo-acetylenowych o 5 do 15dyn/cm. Doskonała stabilność termiczna i obojętność chemiczna, jaką wykazują fluorowane środki powierzchniowo czynne, wynika głównie z podstawienia grupy hydrofobowej łańcucha węgiel-wodór grupą hydrofobową łańcucha fluorowęglowego. Ponieważ energia wiązania CF (116 kcal/mol) jest większa niż energia wiązania C-H (99,5 kcal/mol), wiązanie CF jest bardziej stabilne niż wiązanie C-H i nie jest łatwe do zerwania. Ponadto, ponieważ atom fluoru jest większy od atomu wodoru, wiązanie CC jest chronione przez działanie ekranujące atomu fluoru, dzięki czemu stabilizowana jest również początkowo niezbyt wysoka energia wiązania C-C. To sprawia, że ​​fluorowany środek powierzchniowo czynny ma stabilność chemiczną i stabilność termiczną, których nie ma środek powierzchniowo czynny na bazie węgla i wodoru. Na przykład: Temperatura stosowania C9F17OC6H4SO3K może wynosić około 300°C, podczas gdy związek pośredni C9H17OC6H5 traktuje się w temperaturze 80°C w 50% wodnym roztworze kwasu siarkowego lub 25% wodorotlenku sodu przez 48 godzin bez rozkładu.

Badania wykazały, że wysoka aktywność powierzchniowa fluorowanych środków powierzchniowo czynnych wynika z małych sił van der Waalsa pomiędzy ich cząsteczkami. Napięcie wymagane do przejścia cząsteczek środka powierzchniowo czynnego z roztworu wodnego na powierzchnię roztworu jest małe, co powoduje dużą akumulację cząsteczek środka powierzchniowo czynnego na powierzchni roztworu, tworząc silną adsorpcję powierzchniową. Związki te mają nie tylko małe powinowactwo do wody, ale także mają małe powinowactwo do węglowodorów. Dlatego tworzą one zarówno właściwości hydrofobowe, jak i oleofobowe, ale ich wpływ na napięcie międzyfazowe na granicy faz olej/woda nie jest silny. Jeśli fluorowane środki powierzchniowo czynne stosuje się w połączeniu z węglowodorowymi środkami powierzchniowo czynnymi, fluorowane środki powierzchniowo czynne można selektywnie adsorbować na powierzchni wody w celu zmniejszenia napięcia powierzchniowego; podczas gdy węglowodorowe środki powierzchniowo czynne mogą być adsorbowane na granicy faz olej/woda w celu zmniejszenia napięcia międzyfazowego, co nieuchronnie poprawi zwilżalność roztworu wodnego.

II. Zastosowanie fluorowanych środków powierzchniowo czynnych

Ze względu na właściwości fluorowanych środków powierzchniowo czynnych mają one duże zastosowanie w niektórych dziedzinach, zwłaszcza w przemyśle. Jego główne zastosowania są następujące:

(1) Rozpraszalność

Fluorowane środki powierzchniowo czynne można stosować jako środki dyspergujące podczas polimeryzacji dyspersyjnej różnych fluorożywic. Fluorowane środki powierzchniowo czynne stosuje się jako środki dyspergujące w polimeryzacji dyspersyjnej emulsyjnej fluorowanych monomerów, takich jak tetrafluoroetylen, trifluorochloroetylen i fluorek winylidenu. W dodatkach do galwanizacji, środkach czyszczących i innych środkach do obróbki powierzchni można wykorzystać ich wysoką zdolność do dyspergowania.

(2) Odwodnienie, środek antyadhezyjny

Fluorowane środki powierzchniowo czynne mają dobre właściwości odwadniające, co jest bardzo pomocne w obróbce powierzchniowej metodą odwadniania niektórych typów powłok dekoracyjnych. Jako środki antyadhezyjne można stosować również fluorowane środki powierzchniowo czynne, które nie tylko mają dobre właściwości antyadhezyjne dla polimerów termoplastycznych, ale także mają doskonałe właściwości antyadhezyjne dla polimerów termoutwardzalnych i elastomerów kauczuku silikonowego, a po uwolnieniu nie powodują zanieczyszczeń przedmiotu obrabianego, który można bezpośrednio poddać wtórnej obróbce (takiej jak drukowanie, malowanie, wklejanie itp.) i można go używać wielokrotnie po jednym użyciu. Środek antyadhezyjny przygotowany z fluorowanych środków powierzchniowo czynnych stopniowo utworzył seryjny produkt, który obejmuje typy na bazie rozpuszczalnika i wody. Można go stosować nie tylko w przemyśle przetwórczym organicznych elastomerów polimerowych, ale także w przemyśle przetwórczym korpusów sztywnych (takich jak miedź, ciągnienie rur stalowych, tłoczenie, obróbka tłoczeniem części odlewanych ciśnieniowo itp.). Obecnie fluorowane (wysokowydajne) środki antyadhezyjne cieszą się dużym uznaniem wśród użytkowników z branży tworzyw sztucznych, gumy i innych gałęzi przemysłu przetwórczego.

(3) Środek antystatyczny

Środek antystatyczny na bazie fluorowanych środków powierzchniowo czynnych łączy w sobie funkcje czyszczące i pyłoszczelne. Po testach przeprowadzonych przez odpowiednie wydziały: Po obróbce powierzchni podstawy z arkusza PCV, jej rezystancja powierzchniowa spada z pierwotnych 1012 Ω do 108 Ω. To znacznie ogranicza zjawisko łatwego przyciągania kurzu na powierzchnię podłoża arkusza na skutek elektryczności statycznej. Stosowanie takich środków antystatycznych do czyszczenia powierzchni bębna i głowicy magnetycznej w magnetowidzie daje znacznie lepszy efekt niż zwykłe środki czyszczące czy taśmy czyszczące i może wydłużyć żywotność bębna i głowicy magnetycznej. Po oczyszczeniu głośność filmu lub gęstej płyty można podczas odtwarzania zwiększyć o 3 dB. Stosując takie środki antystatyczne, sprzęt AGD, produkty z tworzyw sztucznych, ekrany telewizorów i inne wysokiej klasy meble i precyzyjne instrumenty można również wyczyścić i zabezpieczyć przed kurzem bez skutków ubocznych.

(4) Środek wyrównujący

Po dodaniu niewielkiej ilości środka powierzchniowo czynnego do produktów takich jak pigmenty i powłoki, może zapobiegać zestalaniu, poprawiać dyspergowalność. Dodanie go do farb i tuszy może zmniejszyć ich napięcie powierzchniowe, poprawić zwilżalność, zapobiec tworzeniu się pęcherzyków i ujednolicić kolor.

(5) Inne zastosowania

Dodanie fluorowanych środków powierzchniowo czynnych do wosku podłogowego może poprawić połysk podłogi, zwiększyć jej odporność na zużycie i właściwości zapobiegające zanieczyszczeniom. Fluorowane środki powierzchniowo czynne można również stosować do wspomagania odzyskiwania ropy, kolektorów ropy na powierzchni morza, inhibitorów korozji metali i środków do nadawania połysku metalom.