Jakie są właściwości i obszary zastosowania fluorosurfakantów?

2025-04-09 08:47:51

I. Charakterystyka fluoroSurfaktantów

Fluorosurfaktanty (w skrócie FS) to surfaktanty o specjalnych właściwościach, które w ostatnich latach były stopniowo komercjalizowane. W odróżnieniu od zwykłych środków powierzchniowo czynnych, fluorosurfaktanty wykorzystują głównie grupy perfluoroalkilowe, perfluoroalkenylowe lub częściowo fluorowane alkilowe jako hydrofobową część środka powierzchniowo czynnego. Następnie, jeśli potrzeba, wprowadza się odpowiednie grupy łączące i grupy hydrofilowe. W zależności od charakteru grup hydrofilowych wytwarza się różne serie produktów fluorosurfaktantowych, takie jak odpowiednio typy anionowe, kationowe, niejonowe i amfoteryczne.

Dzięki specjalnej budowie fluorosurfakantów, atomy fluoru zastępują atomy wodoru na grupach hydrofobowych zwykłych surfaktantów, przekształcając strukturę wiązania C – H w formę wiązania C – F. Dlatego wykazuje pewne doskonałe właściwości, unikalne dla fluorowęglowodorów, a jednocześnie ma cechy bycia zarówno hydrofobowym, jak i oleofobowym. Wysoka aktywność powierzchniowa fluorosurfakantów wynika z niezwykle silnej hydrofobowości wiązań węgiel-fluor w ich cząsteczkach oraz niskiej kohezji międzycząsteczkowej. Może obniżyć napięcie powierzchniowe wody do bardzo niskiej wartości przy zastosowaniu bardzo małego stężenia. Ogólnie rzecz biorąc, stężenie stosowanych środków powierzchniowo czynnych o łańcuchu węglowodorowym powinno wynosić od 0,1% do 1%. W tym momencie napięcie powierzchniowe roztworu wodnego można zmniejszyć jedynie do 30 - 35 dyn/cm (1 dyn = 10⁻³ N/m). Gdy dozowanie środków powierzchniowo czynnych o łańcuchu fluorowęglowym mieści się w zakresie od 0,005% do 0,1%, napięcie powierzchniowe roztworu wodnego można zmniejszyć do mniej niż 20 dyn/cm. Ponadto fluorosurfaktanty wykazują również dobrą aktywność powierzchniową w rozpuszczalnikach organicznych. Zwłaszcza po wprowadzeniu N-podstawionego perfluorooktamidu może on obniżyć napięcie powierzchniowe rozpuszczalników węglowodorowych o 5 - 15 dyn/cm. Doskonała stabilność termiczna i obojętność chemiczna wykazywana przez fluorosurfaktanty wynika głównie z tego, że po zastąpieniu przez grupę hydrofobową łańcucha fluorowęglowego grupy hydrofobowej łańcucha węglowodorowego, ponieważ energia wiązania C - F (116 kcal/mol) jest większa niż energia wiązania C - H (99,5 kcal/mol), wiązanie C - F jest bardziej stabilne niż wiązanie C - H i nie jest łatwe do zerwania. Również po zastąpieniu atomów wodoru przez atomy fluoru, ze względu na większą objętość atomów fluoru niż atomów wodoru, wiązanie C - C jest chronione przez ekranujące działanie atomów fluoru, dzięki czemu stabilizowane jest również wiązanie C - C o pierwotnie niezbyt dużej energii wiązania. Zatem fluorosurfaktanty mają stabilność chemiczną i stabilność termiczną, których nie mają węglowodorowe środki powierzchniowo czynne. Na przykład temperatura stosowania C₉F₁₇OC₆H₄SO₃K może wynosić około 300°C, a związek pośredni C₉H₁₇OC₆H₅ tego związku nie ulegnie rozkładowi po potraktowaniu go 50% roztworem kwasu siarkowego lub 25% wodnym roztworem wodorotlenku sodu w temperaturze 80°C przez 48 godzin.

Badania pokazują, że wysoka aktywność powierzchniowa fluorosurfakantów wynika z małych sił van der Waalsa pomiędzy ich cząsteczkami. Napięcie wymagane do przemieszczania się cząsteczek środka powierzchniowo czynnego z roztworu wodnego na powierzchnię roztworu jest małe, co powoduje agregację cząsteczek środka powierzchniowo czynnego na dużą skalę na powierzchni roztworu, tworząc silną adsorpcję powierzchniową. A takie związki mają nie tylko niskie powinowactwo do wody, ale także niskie powinowactwo do węglowodorów. Dlatego mają cechy zarówno hydrofobowe, jak i oleofobowe. Jednakże jego wpływ na napięcie międzyfazowe na granicy faz olej/woda nie jest silny. Jeśli fluorosurfaktanty stosuje się w połączeniu z węglowodorowymi środkami powierzchniowo czynnymi, fluorosurfaktanty można selektywnie adsorbować na powierzchni wody w celu zmniejszenia napięcia powierzchniowego, podczas gdy węglowodorowe środki powierzchniowo czynne można adsorbować na granicy faz olej/woda w celu zmniejszenia napięcia międzyfazowego. Z pewnością poprawi to zwilżalność roztworu wodnego.

II. Zastosowania fluorosurfaktantów

Biorąc pod uwagę właściwości fluorosurfaktantów, mają one duże zastosowanie w niektórych dziedzinach, szczególnie w przemyśle o różnych zastosowaniach. Główne zastosowania są następujące:

(1) Rozpraszalność

Fluorosurfaktanty można stosować jako środki dyspergujące w polimeryzacji dyspersyjnej różnych fluorożywic. Fluorosurfaktanty stosuje się jako środki dyspergujące w emulsyjnej polimeryzacji dyspersyjnej monomerów zawierających fluor, takich jak tetrafluoroetylen, chlorotrifluoroetylen i fluorek winylidenu. Ich wysoką zdolność do dyspergowania można wykorzystać w środkach do obróbki powierzchni, takich jak dodatki do galwanizacji i środki czyszczące.

(2) Środki odwadniające i uwalniające

Fluorosurfaktanty mają dobrą hydrofobowość, co jest bardzo pomocne w leczeniu odwodnieniem powierzchni niektórych typów powłok dekoracyjnych. Fluorosurfaktanty można również stosować jako środki antyadhezyjne. Mają one nie tylko dobre właściwości antyadhezyjne dla polimerów termoplastycznych, ale także mają doskonałe właściwości antyadhezyjne dla polimerów termoutwardzalnych i elastomerów gumowych zawierających silikon. Wymontowane elementy nie są zanieczyszczone, a obróbka wtórna (taka jak drukowanie, malowanie, wklejanie itp.) może być wykonywana bezpośrednio, a przy jednym użyciu można wykonać wielokrotne wyjmowanie z formy. Środki antyadhezyjne przygotowane na bazie fluorosurfaktantów stopniowo utworzyły serię produktów, obejmujących produkty na bazie rozpuszczalników i wody. Można go stosować nie tylko w przemyśle przetwórstwa organicznych elastomerów polimerowych, ale także w przemyśle przetwórstwa korpusów sztywnych (takich jak ciągnienie rur miedzianych i stalowych, tłoczenie kołków, tłoczenie odlewów ciśnieniowych itp.). Obecnie środki antyadhezyjne zawierające fluor (o wysokiej wydajności) cieszą się dużym uznaniem użytkowników w branżach przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy.

(3) Środki antystatyczne

Środek antystatyczny na bazie fluorosurfakantów, który łączy w sobie funkcje czyszczące i pyłoszczelne, został przetestowany przez odpowiednie zakłady: po obróbce powierzchniowej podłoża folii PVC, jej rezystancja powierzchniowa zmniejsza się z pierwotnych 10¹² Ω do 10⁸ Ω. Dzięki temu zjawisko łatwego wchłaniania kurzu pod wpływem elektryczności statycznej na powierzchni podłoża folii jest znacznie ograniczone. Stosowanie tego typu środka antystatycznego do czyszczenia powierzchni bębna magnetycznego i głowicy magnetycznej w magnetowidzie daje znacznie lepszy efekt niż zwykłe środki czyszczące czy taśmy czyszczące i może wydłużyć żywotność bębna magnetycznego i głowicy magnetycznej. Po oczyszczeniu płyty filmowej lub gramofonowej głośność podczas odtwarzania można zwiększyć o 3 dB. Ten rodzaj środka antystatycznego można również stosować do czyszczenia powierzchni i zabezpieczania przed kurzem sprzętu AGD, wyrobów z tworzyw sztucznych, ekranów telewizorów i innych wysokiej klasy mebli i precyzyjnych instrumentów bez skutków ubocznych.

(4) Środki wyrównujące

Dodanie niewielkiej ilości środków powierzchniowo czynnych do produktów takich jak pigmenty i powłoki może zapobiec zestalaniu, poprawić dyspergowalność. Dodanie ich do powłok i farb może zmniejszyć ich napięcie powierzchniowe, poprawić zwilżalność, zapobiec tworzeniu się pęcherzyków i ujednolicić kolor.

(5) Inne zastosowania

Dodanie fluorosurfakantów do wosku podłogowego może poprawić połysk podłogi, zwiększyć jej odporność na zużycie i właściwości przeciw zanieczyszczeniom. Fluorosurfaktanty można również stosować jako środki pomocnicze do odzyskiwania ropy naftowej, środki gromadzące ropę na powierzchni morza, środki konserwujące metale i środki do nadawania połysku metalom itp.