СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области физики поверхностей.

Известен способ снижения поверхностного натяжения жидкостей на границе жидкость - газ с помощью активных добавок, составляющих группу поверхностно-активных веществ (ПАВ) типа мыла с характерными для этих соединений гидрофильными и олеофильными частями молекул [1]. Соединения ПАВ растворяются в жидкостях, имеют высокие молекулярные веса и, вследствие этого, нелетучи [2-4] . Нелетучесть и растворимость соединений ПАВ не позволяет быстро управлять их концентрацией и величиной поверхностного натяжения жидкостей.

Известен способ снижения поверхностного натяжения жидкостей на границе жидкость - газ с помощью газов высокого давления (несколько сот атмосфер), когда их плотность близка к критической и сравнима с плотностью их жидкостей [5 и 6]. Однако высокие давления, плотности и растворимость газов не позволяют быстро управлять величиной поверхностного натяжения контактирующих с ними жидкостей.

Известен способ снижения поверхностного натяжения жидкостей на границе жидкость - жидкость при контакте с другими жидкостями, обладающими малым собственным поверхностным натяжением [1, 7 и 8]. К таким жидкостям относятся, в частности, фторуглероды, обладающие малым поверхностным натяжением (~ 10-15 мН/м [7, стр. 15-16]), что позволяет их использовать в качестве активной добавки для снижения поверхностного натяжения контактирующей с ними жидкости (прототип). Однако добавка в виде жидкости не позволяет быстро управлять величиной поверхностного натяжения контактирующих жидкостей.

Для увеличения скорости воздействия и контроля за величиной поверхностного натяжения представляет интерес иметь летучие активные добавки (т.е. добавки в виде пара при малых давлениях), практически не растворяющиеся в жидкостях и позволяющие при контакте с поверхностью уменьшать поверхностное натяжение этих жидкостей.

Предлагается в качестве летучих активных добавок использовать фторуглеродные соединения в газовой фазе при давлениях далеких от критических. Подробное описание ранее известных свойств и применений фторуглеродных соединений дано в [7 и 9]. Новой особенностью, составляющей основу заявки, является то, что эти летучие, инертные фтороуглеродные соединения, состоящие из атомов углерода и фтора, являются, как установлено, эффективными активными добавками, понижающими поверхностное натяжение жидкостей на границе жидкость - газ при давлениях этих добавок гораздо (в десятки и тысячи раз) меньших, чем упомянутые выше нескольких сот атмосфер для других газов, и при плотностях гораздо меньших критических, что позволяет, например, продувкой газа быстро менять их плотность над жидкостями и тем самым управлять поверхностным натяжением контактирующих с ними жидкостей.

Пример 1. Паров фторуглеродного соединения как активной добавки.

1. Вода дистиллированная.

2. Пары перфтороктана C₈F₁₈.

В кювету наливается вода и при комнатной температуре 20^oC из сосуда с парами перфтороктана в воздух кюветы добавляется газообразный C₈F₁₈ при давлении 20 торр. Присутствие молекул перфтороктана C₈F₁₈ в воздухе на границе вода - воздух снижает коэффициент поверхностного натяжения воды на 10%. Аналогичное уменьшение поверхностного натяжения происходит при добавлении в кювету паров перфтордекалина C₁₀F₁₈.

Пример 2. В кювету наливается этиловый спирт и при комнатной температуре 20^oC из сосуда с парами перфтороктана в воздух кюветы добавляется газообразный C₈F₁₈ при давлении 20 торр. Присутствие молекул перфтороктана C₈F₁₈ в воздухе на границе жидкость - воздух снижает коэффициент поверхностного натяжения спирта на 15%.

Пример 3. В кювету наливается дибутилфталат и при комнатной температуре 20^oC из сосуда с парами перфтороктана в воздух кюветы добавляется газообразный C₈F₁₈ при давлении 20 торр. Присутствие молекул перфтороктана C₈F₁₈ в воздухе на границе жидкость - воздух снижает коэффициент поверхностного натяжения дибутилфталата на 25%.

Пример 4. В кювету наливается бензол и при комнатной температуре 20^oC из сосуда с парами перфтороктана в воздух кюветы добавляется газообразный C₈F₁₈ при давлении 20 торр. Присутствие молекул перфтороктана C₈F₁₈ в воздухе на границе жидкость - воздух снижает коэффициент поверхностного натяжения бензола на 30%.

Наряду с жидкостями, названными в примерах, заметное снижение поверхностного натяжения (на десятки процентов) в присутствии паров C₈F₁₈ (от ~ 20 торр и более) отмечается для таких жидкостей, как глицерин, машинное масло, вазелиновое масло, растительное масло, силиконовое масло, этанол, 2-пропанол, диэтиловый эфир, диметилфталат, диметилсульфоксид, CCl₄, циклогексан, циакрин-ЭО (C₆H₇NO₂), керосин, скипидар, смесь этанол + вода, смесь бензол + диэтиловый эфир, раствор мыла в воде и другие.

Таким образом, заметное снижение поверхностного натяжения жидкостей происходит при контакте с парами фторуглеродных соединений при давлениях примерно в 10000 раз меньших, чем необходимое для этого давление других известных газов [6] , типичным представителем которых является водород с его воздействием на поверхностное натяжение циклогексана [5]. Более эффективное, чем для других известных газов, снижение поверхностного натяжения органических и неорганических жидкостей, достигаемое при воздействии на них паров фторуглеродных соединений при низких, далеких от критических плотностях и давлениях, не имеет аналогов и не следует с очевидностью из таких их известных по литературным данным [7] свойств как, например, слабость межмолекулярных связей, обусловливающих низкое собственное поверхностное натяжение, летучесть и газоподобность их в жидкой фазе, а также свойствами неполярности молекул, отсутствием у них характерных для ПАВ гидрофобных и гидрофильных окончаний, поскольку аналогичные свойства характерны и для многих других газов (таких, например, как кислород, азот, водород [5]), которые при плотностях менее сотен атмосфер практически не влияют на поверхностное натяжение жидкостей [6].

В соответствии с имеющимися данными [5, 6 и 8] до сих пор считалось, что любой газ оказывает на поверхность жидкости (на ее поверхностную энергию и прямо связанное с этой энергией ее поверхностное натяжение) основное воздействие прямо пропорциональное своей плотности [5, 6 и 8]. Если у него большая плотность (сравнимая с жидкостью, т.е. вблизи критических условий), то он оказывает заметное воздействие, если малая, то взаимодействие с меньшим числом молекул приводит к пропорционально меньшему воздействию. Если давление в 300 атм снижает поверхностное натяжение жидкости на 50%, то ожидаемый эффект от действия 3 атм в сто раз меньше и составляет 0.5%, а от 0.03 атм соответственно 0.005%. Это можно считать очевидным и следующим из обычной физики взаимодействия между молекулами. Из-за такой малости эффекта при невысоких давлениях никакие газы до сих пор не использовались для снижения поверхностного натяжения.

Обнаруженное отличие фторуглеродных молекул, составляющее основу заявки, состоит в том, что для них эта зависимость от плотности молекул другая - она существенно нелинейная и проявляется при неожиданно малых давлениях газа. Большой эффект, в тысячи раз больший, чем 0.005% (например, 10-30% в приведенных примерах 1-4), получается при давлениях паров в сотые доли одной атмосферы (например 0.03 атм). Эта крайняя необычность воздействия паров фторуглеродов при малых давлениях не имеет аналогов среди других газов, описанных в литературе, и не следует с очевидностью из их свойств.

Аналогичные свойства по снижению поверхностного натяжения жидкостей в равной степени характерны и для других насыщенных и ненасыщенных летучих фторуглеродных соединений, представителями которых являются перфтороктан C₈F₁₈ и перфтордекалин C₁₀F₁₈.

Летучесть фторуглеродных соединений [9] и получаемые низкие поверхностные натяжения жидкостей при контакте с парами этих фторуглеродных соединений при обычных условиях и далеких от критических давлениях позволяют по новому использовать их для
изучения квантомеханических особенностей снижения поверхностного натяжения жидкостей при контакте с парами разных ориентированных фторорганических молекул при разных плотностях и температурах,
создания и изучения тонких пленок, слабо напряженных поверхностей и мембран,
увеличения смачивания и снижения трения в смазках,
создания новых моющих и очистительных средств, улучшения растворения веществ при удалении загрязнений из пор,
добычи нефти из пористых пород,
удаления остатков нефти со стенок танкеров,
увеличения эффективности дробления материалов,
фильтрации соединений при перегоне в тонких пленках по поверхности,
создания мелкодисперсных эмульсий, суспензий и пеногасителей,
исследований механизма изменения клейкости лапок мух,
создания эффективных новых контактно-активных пестицидов, обездвиживающих и убивающих насекомых (типа мух, саранчи),
управления постоянной и динамической разностью натяжений на поверхности жидкости для получения на ней контролируемых вращательных и колебательных движений с преобразованием тепловой энергии в механическую,
исследования динамики установления поверхностных движений, особенностей ориентации и взаимовлияния испаряющихся молекул, возникающих градиентов температур и электрокинетических явлений,
создания жидкостных теплочувствительных экранов.

По аналогии с растеканием капли воды только на чистой ртути, показано, что динамика растекания и испарения капли C₈F₁₈ на воде является одним из самых простых и чувствительных методов контроля чистоты воды.

Литература
1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Химия, 1982.

2. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества /Справочник под ред. А.А. Абрамсона и Е.Д. Щукина. - Л.: Химия, 1984.

3. Абрамсон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применения. - Л.: Химия, 1981.

4. Поверхностно-активные вещества./Справочник под ред. А.А. Абрамсона и Г.М. Гаевого. - Л.: Химия, 1979.

5. Таблицы физических величин./Справочник под ред. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976, с. 255.

6. Кикоин А.Л., Кикоин И.К. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1976, с. 329.

7. Соединения фтора. Синтез и применение./Под ред. Н. Исикава. - М.: Мир, 1990.

8. Рид Р. , Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982, с. 523.

9. Промышленные фтор-органические продукты. Справочник. - Л.: Химия, 1990.

Предлагается в качестве летучих активных добавок для снижения поверхностного натяжения жидкостей использовать фторуглеродные соединения в виде пара при давлениях далеких от критических, что увеличивает скорость снижения.

Способ снижения поверхностного натяжения жидкостей с помощью активных фторуглеродных добавок, отличающийся тем, что фторуглеродные соединения воздействуют на поверхность жидкости в виде пара при давлениях далеких от критических.