АДСОРБЦИЯ ПАВ НА ГИДРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ. ИОННЫЕ ПАВ При очень низких концентрациях ионные ПАВ адсорбируются на заряженных поверхностях почти исключительно по ионообменному механизму.
Таким образом, противоионы диффузной части двойного электрического слоя вблизи поверхности вытесняются молекулами ПАВ, несущими тот же заряд.
Ионный об мен приводит к повышению концентрации ПАВ вблизи поверхности по сравнению с его концентрацией в растворе. В результате на поверхности инициируется процесс мицеллообразования при концентрациях ПАВ в растворе значительно ниже ККМ. До сих пор остается дискуссионным вопрос о форме поверхностных мицелл: сферические они или полусферические. Но сам факт поверхностной агрегации молекул ПАВ при концентрациях ниже KKM не вызывает сомнений.
При более высоких концентрациях ПАВ образуют на поверхности бислои, формирование которых заканчивается при ККМ. Нижний монослой бислоя не обязательно должен иметь плотнейшую упаковку. Зависимость адсорбции от концентрации ПАВ схематически представлена на рис.8, а, б; конкретный пример приведен на рис.8, в. Для отражения свойств систем при низких концентрациях оси ординат и абсцисс даны в логарифмическом масштабе. Поверхностное агрегирование по природе аналогично мицеллообразованию, поэтому адсорбция также сильно зависит от длины алкильной цепи. Поверхностно-активное вещество с наибольшей длиной гидрофобной цепи адсорбируется в наибольшей степени.
Из рис.9 видно, что адсорбция является кооперативным процессом, поскольку она резко возрастает в узком интервале концентраций. И наиболее значителен этот эффект для ПАВ с длинными "хвостами". Эти данные служат дополнительным доказательством сильной зависимости адсорбции от структуры молекул ПАВ и более слабой зависимости от взаимодействий молекул ПАВ с поверхностью.
Рис.7. Влияние введенных ПАВ на устойчивость латекса по отношению к различным воздействиям: механическим, в циклах замораживание-размораживание, при добавлении электролита Единственное требование заключается в том, что ПАВ должно иметь небольшое сродство к поверхности, чтобы повышалась его поверхностная концентрация, вызывая образование поверхностных агрегатов, т.е. поверхностное мицеллообразование. Адсорбция ионных ПАВ на гидрофильных поверхностях практически не зависит от температуры, как это видно из рис.10, б. Адсорбция изменяется всего на 10-20% при изменении температуры на 50°С. Максимум адсорбции наблюдается при 25 °С, что совпадает с минимальным значением KKM поверхностно-активного вещества при этой же температуре.
Рис. 9. Адсорбция некоторых катионных ПАВ на кремнеземе при рН 4. Кооперативность адсорбции возрастает с увеличением длины алкильных цепей Рис.10. а - Адсорбция хлорида додецилпиридиния на каолине при трех различных значениях ионной силы, б - температурная зависимость адсорбции при трех концентрациях ДПХ выше изоэлектрической точки.
С разрешения 2.2 НЕИОННЫЕ ПАВ Адсорбция неионных ПАВ на гидрофильных поверхностях контролируется взаимодействием между поверхностью и полиоксиэтиленовой цепью. Если такое взаимодействие есть, адсорбция протекает аналогично адсорбции ионных ПАВ на гидрофильных поверхностях. На рис.11 схематично представлена адсорбция неионного ПАВ на поверхности кремнезема.
Кроме того, в этой системе наблюдается поверхностная агрегация ПАВ при концентрациях, намного меньших KKM поверхностно-активного вещества. Концентрация, при которой начинается поверхностное агрегирование, называется критической концентрацией поверхностного агрегирования. Эта величина имеет порядок одной десятой ККМ. На рис.11 ось ординат имеет линейный масштаб и поэтому изотерма имеет другую форму, чем на рис.8. Изотермы адсорбции, похожие по виду на изотерму на рис.11, указывают на высокую степень кооперативности адсорбции выше точки ККПА. Адсорбция в этом случае может быть описана как индуцированная поверхностью самоорганизация.
Отметим, что для индуцирования самоорганизации достаточно даже слабого взаимодействия ПАВ с поверхностью. На рис.12, а, б представлены изотермы адсорбции ряда неионных ПАВ типа CmEn на кремнеземе. Прежде всего видно, что адсорбция резко увеличивается задолго до KKM. Кроме того, отметим, что на изотермах адсорбции наблюдаются плато при концентрациях, близких к KKM НПАВ. Наконец, обратим внимание, что ступенчатый характер изотерм, указывающий на высокую кооперативность, особенно ярко проявляется в случае НПАВ с низким содержанием полиоксиэтиленовых фрогментов.
Результаты, приведенные на рис.12, отчетливо указывают на то, что НПАВ образуют на поверхности дискретные структуры, аналогичные мицеллам. Размер таких агрегатов увеличивается с увеличением длины углеводородной цепи в молекулах НПАВ. Рис.12. Корреляция между адсорбцией моноалкиловых эфиров полиэтиленгликолей на кремнеземе при 250C и величиной КПУ; съ-концентрация НПАВ в растворе На рис.13 показаны изотермы адсорбции двух НПАВ, производных алкилфенолов, на кремнеземе, а именно, ОР-Е95 и NP-E9.5. Адсорбцию обоих НПАВ можно отразить одной кривой, если абсциссу представить в приведенных единицах.
Отметим, что ход кривой аналогичен зависимостям, приведенным на рис.11 и 12. С помощью флуоресцентной спектроскопии было показано, что агрегаты НПАВ, образующиеся на поверхности, дискретны, т.е. при низких концентрациях на поверхности, не образуется монослой.
Скорее поверхность покрыта отдельными агрегатами, и флуоресцентная метка обменивалась между ними с очень небольшими скоростями. Рис.13. Адсорбция этоксилированных октилфенола и нонилфенола на кремнеземе. С разрешения. Copyright American Chemical Society На рис.14 приведена изотерма адсорбция НПАВ - этоксилированных нонилфенолов - на каолине. Из рисунка следует, что адсорбция уменьшается с увеличением длины полиоксиэтиленовых цепей, т.е. по мере уменьшения КПУ. Это иллюстрирует тот факт, что поверхностное агрегирование более ярко выражено для НПАВ с небольшим числом оксиэтиленовых групп, что еще раз подчеркивает зависимость адсорбции ПАВ от свойств раствора: адсорбция увеличивается с увеличением КПУ поверхностно-активного вещества.
Рис. Адсорбция НПАВ на каолине при различной длине полиоксиэтиленовых цепей. При увеличении з увеличивается КПУ, что приводит к уменьшению адсорбции Рис.15. Адсорбция двух неионных ПАВ на кремнеземе в зависимости от рН. Наконец, рис.15 показывает, что для адсорбции необходимо взаимодействие между ПАВ и поверхностью.
Видно, что адсорбция двух НПАВ на кремнеземе снижается почти до нуля при рН ~10 и выше. В случае более гидрофобного НПАВ С12Е5 зависимость адсорбции от рН очень резкая при рН выше 9. Это указывает, что для адсорбции гидрофобных ПАВ достаточно лишь небольшого взаимодействия между ПАВ и поверхностью. Как только несколько молекул адсорбируются на поверхности, они образуют зародыш, на котором происходит дальнейшая адсорбция, сопровождающаяся поверхностным агрегированием.
Этот эффект, как и следовало ожидать, слабее выражен для более гидрофильного НПАВ Ci2E8. Результаты, представленные на рис.15, можно объяснить двумя способами. Во-первых, в щелочных растворах поверхностные гидроксильные группы адсорбента ионизованы и не могут образовывать водородные связи с молекулами НПАВ, вследствие этого адсорбция не происходит.
Во-вторых, гидроксильные ионы из раствора конкурируют за адсорбционные центры на поверхности, и при рН выше 10 молекулы НПАВ полностью вытесняются с поверхности. 3.