Составы и производство воздухововлекающих добавок
Свойства поверхностно-активных веществ. Воздухововлекающие добавки принадлежат к тому классу химических соединений, который называют поверхностно-активными
веществами (ПАВ). К ним относятся вещества, молекулы которых адсорбируются на границе воздух — вода или твердое тело — вода. В результате молекулы концентрируются на межфазовой границе, что обусловлено особенностями их строения. Поскольку одна часть молекул полярна, другая — неполярна, то, следовательно, им присуща двойственность свойств, обусловленная присутствием полярных («головка») и неполярных («хвосты») функциональных групп.
Последние состоят обычно из относительно длинного углеводородного радикала, содержащего более чем 8—10 углеродных атомов, что важно для поверхностной активности молекул. ПАВ имеют важные области применения; известны большое число классов этих соединений и тысячи отдельных представителей ПАВ.
Выделяют три типа полярных функциональных групп. Если после ионизации они заряжены отрицательно, это анион-активные ПАВ.
Неполярные группы ПАВ состоят из неразветвленных или разветвленных углеводородов с 8—12 атомами углерода, алкильных групп с 8—15 атомами углерода, бензольных групп и более высокомолекулярных радикалов.
Адсорбируясь на границе раздела двух фаз, ПАВ обращены полярными функциональными группами в сторону полярной фазы, а неполярными — в сторону неполярной. Поскольку неполярная часть молекул состоит из углеводородов, то ПАВ, сорбируясь функциональными группами на гидрофильной поверхности, снижают поверхностное натяжение раствора и тем сильнее, чем больше их концентрация. Так происходит до полного заполнения ими межфазной границы. Дальнейшее повышение концентрации ПАВ приводит к мицеллообразованию в растворе до момента, называемого критической концентрацией мицеллообразования(ККМ). Значение ККМ может варьировать в широких пределах: от 0,1 до 10-10-3 М в зависимости от структуры ПАВ.
Концентрация воздухово-влекающих добавок всегда ниже ККМ, за исключением, возможно, неионогенных ПАВ, поэтому мицеллярные структуры растворов, по-видимому, в данном случае не столь существенны.
Можно утверждать, что многие, если не большинство, ПАВ (все мыла, смачиватели, моющие вещества) обладают воздухововлекающим действием, однако не все они равноценны; это зависит от их природы. Обычно воздухововлекающие добавки относительно недороги.
На сегодня опубликовано мало работ, посвященных связи между молекулярной структурой ПАВ и системой воздушных пор в бетоне. Еще остаются неясными также некоторые важные детали протекающих при этом процессов.
Типы воздухововлекающих добавок. Применяемые на практике воздухововлекающие добавки по химической природе можно классифицировать следующим образом:
1) соли, получаемые из древесной смолы;
2) синтетические моющие вещества;
3) соли лигносульфоновых кислот;
4) соли нефтяных кислот;
5) соли, получаемые из протеинов;
6) соли органических сульфокислот.
Наиболее широко используют вещества первой группы, известные под названием нейтрализованный винсол. Винсол — нерастворимый остаток процесса очистки и экстракции из него соснового скипидара. Это смесь фенолов, кислот и других веществ. После нейтрализации едким натром становится водорастворимым и в таком виде поступает в продажу как воздухововлекающая добавка.
Вторая группа добавок — алкиларилсульфонаты. Обычно их алкильные группы представляют собой нефтяные остатки, конденсированные с бензолом и затем сульфированные и нейтрализованные для получения растворимых солей — чаще всего натровых. Алкильные группы содержат 12 атомов углерода. Третью группу сравнительно редко используют в качестве воздухововлекающей добавки из-за невысокой воздухововлекающей способности (чаще применяют в качестве водопонизителя и замедлителя схватывания цемента). Получают как попутный продукт целлюлознобумажного производства.
Четвертая группа веществ — побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности, которые производят путем обработки серной кислотой нефтяных кислот с последующей нейтрализацией, как правило, едким натром. Если нейтрализацию осуществляют триэтаноламином, получают вещества седьмой группы.
Пятую группу веществ вырабатывают из отходов животного происхождения, переведенных в соли. Это сравнительно слабые воздухововлекающие агенты, поэтому используют их редко.
Шестую группу веществ получают из разных продуктов:
отходов мыловарения (однако их кальциевые мыла практически нерастворимы в воде) и растительных масел. Обычно длина алкильных групп в таких ПАВ состоит из 12—20 атомов углерода. Кроме того, в эту группу входят и продукты переработки таллового масла, получаемого как полупродукт в целлюлозно-бумажной промышленности и состоящего частично из непредельных кислот и смол. Низкая стоимость веществ делает их перспективными для применения.