Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах

Поверхностноактивные вещества 
и полимеры в водных растворах

John Wiley & Sons, Ltd

Krister Holmberg
Chalmers University of Technology, S412 96, Göteborg, Sweden

Bo Jönsson
Chemical Centre, Lund University, POB 124, S221 00, Lund, Sweden

Bengt Kronberg
Institute for Surface Chemistry, POB 5607, S114 87, Stockholm, Sweden

Björn Lindman
Chemical Centre, Lund University, POB 124, S221 00, Lund, Sweden

Surfactants
and Polymers
in Aqueous
Solution

Second Edition

К. Холмберг, Б. Йёнссон 
Б. Кронберг, Б. Линдман

Поверхностноактивные вещества
и полимеры
в водных растворах

Перевод с английского
канд. хим. наук Г. П. Ямпольской

под редакцией
профессора, д-ра хим. наук Б. Д. Сумма

Москва
Лаборатория знаний
2020

4-е издание, электронное

УДК 541.182
ББК 24.6я73
X72

Холмберг К.
X72
Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных
растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман ;
пер.
с
англ. — 4-е
изд.,
электрон. — М.
:
Лаборатория
знаний, 2020. — 531 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-767-7
Учебное издание, написанное коллективом авторов из Швеции, посвящено чрезвычайно важной в научном и практическом отношении теме — сосуществованию поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров в водных
растворах. Подробно рассмотрены различные типы ПАВ (в том числе
полимерные), процесс мицеллообразования, фазовое поведение растворов
ПАВ. Обсуждаются свойства растворов полимеров и смесей ПАВ—полимер.
Отдельные главы посвящены таким сложным системам, как пены, эмульсии
и микроэмульсии, их получению и практическому применению. Книга
хорошо иллюстрирована, содержит обширные справочные данные и библиографию.
Для студентов, аспирантов и преподавателей химических и химикотехнологических вузов, а также для научных сотрудников и химиковтехнологов, работающих на производстве.
УДК 541.182
ББК 24.6я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон,
Б. Кронберг, Б. Линдман ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2007. — 528 с. : ил. — ISBN 978-5-94774-363-0.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-767-7

c○
Copyright
2003 by John Wiley & Sons Ltd., The Atrium,
Southern Gate, Chichester, West Sussex
PO19 8SQ, England. All rights reserved.
Authorized translation from English language
edition published by John Wiley & Sons Ltd.
This EBook is published under license with the
original publisher John Wiley & Sons, Ltd.

c○ Перевод, оформление, Лаборатория знаний, 2015

4

Основная идея книги «Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных
растворах» — объединение в одной книге физико-химических свойств поверхностно-активных веществ и водорастворимых полимеров — казалась очень привлекательной. Первое издание было быстро распродано, книга стала учебником
в университетах и справочником для исследователей, работающих в этой области науки.
Мы сами интенсивно ее используем в учебном процессе и исследованиях и
поддерживаем постоянную связь со слушателями курсов лекций и с коллегами.
Внесенные в новое издание книги «Поверхностно-активные вещества и полимеры
в водных растворах» добавления и уточнения сделаны с учетом предложений, которые мы получили за эти годы, а также нашего стремления поддерживать содержание книги на современном уровне и дополнять новыми результатами.
Взаимодействие между поверхностно-активными веществами и полимерами — центральная тема книги, но было представлено в предыдущем издании
лишь одной главой. Взаимодействие поверхностно-активных веществ с белками — родственная тема, очень важная в науке о жизни, — теперь представлена
новой главой, в которой рассматривается эти взаимодействия. Реология описывает поведение поверхностно-активных веществ в растворе и представляет интерес для многих практических применений. Эта тема лишь коротко затрагивалась в первом издании, а в новом представлена отдельной главой.
Поверхностно-активные вещества широко используются в качестве смачивающих агентов, и мы получили много замечаний по поводу того, что в первом издании этому вопросу не уделялось должного внимания. Во второе издание введена глава, в которой рассматриваются смачивание одной жидкостью другой
жидкости или твердого тела, а также обсуждается роль смачивающих агентов.
Для освещения новых достижений в области химии ПАВ в книгу включена
глава о новых поверхностно-активных веществах. Она содержит сведения о полимеризующихся поверхностно-активных веществах, которые входили и в первое издание, но теперь к ним добавлены разделы о димерных поверхностно-активных веществах и поверхностно-активных веществах с разрушающимися связями.
Главы первого издания, включенные во второе, были переработаны, в них
внесены результаты исследований последних лет. В главу о поверхностно-ак
Предисловие ко второму изданию

тивных веществах введен раздел об их дерматологическом действии. Глава, посвященная обсуждению полимеров в растворах, расширена, в нее включен раздел, описывающий различные типы водорастворимых полимеров. В главе, посвященной взаимодействию полимеров с поверхностями, переработан раздел,
касающийся адсорбции полиэлектролитов. В главу, в которой рассматриваются
эмульгаторы, введены основные сведения об эмульсиях, а в главу, касающуюся
химических реакций в микрогетерогенных средах, добавлен раздел о мезопористых материалах, в основе образования которых лежит самоорганизация поверхностно-активных веществ.
Наконец, ошибки и неясные формулировки в первом издании, на которые обратили наше внимание, были исправлены. Мы надеемся, что во втором издании
книга стала более полной и логически последовательной. В то же время мы отдаем себе отчет в том, что предстоит пройти еще длинный путь, чтобы книга стала
«совершенной», и поэтому замечания и предложения для ее дальнейшего улучшения приветствуются.

Гётеборг, Лунд и Стокгольм
Кристер Холмберг
Апрель 2002
Бу Йёнссон
Бенгт Кронберг
Бьёрн Линдман

6
Предисловие ко второму изданию

Для многих практических целей поверхностно-активные вещества используются вместе с полимерами. Такие различные системы, как моющие средства, краски, покрытия для бумаги, пищевые продукты и фармацевтические препараты,
обычно содержат комбинации низкомолекулярных поверхностно-активных веществ и полимеров, которые в свою очередь могут обладать или не обладать высокой поверхностной активностью. Сочетание ПАВ и полимера обеспечивает
стабильность, реологические свойства и т. д., необходимые для специфических
практических целей. Свойства растворов индивидуальных компонентов важны,
но эксплуатационные качества композиционного продукта в значительной мере
зависят от взаимодействий между поверхностно-активным веществом и полимером. Таким образом, знание физико-химических свойств обоих компонентов
и особенностей взаимодействий между ними существенно, чтобы составление
композиций сделать более наукой, нежели искусством.
Имеется много книг, посвященных поверхностно-активным веществам, как и
книг, в которых обсуждаются свойства водорастворимых полимеров, но, насколько нам известно, нет ни одной книги, в которой всесторонне обсуждались бы
свойства обоих компонентов. Поэтому исследователям, работающим в данной области, приходилось использовать различные источники для получения необходимой информации о поверхностно-активных веществах и полимерах. Но еще большая трудность, чем необходимость получать справочные данные из большого
числа источников, связана с тем, что описание физико-химических явлений значительно варьируется от источника к источнику. Такие расхождения в интерпретации свойств компонентов сильно затрудняют понимание свойств растворов
композиций поверхностно-активных веществ и полимеров. По нашему мнению,
уже давно назрела необходимость в книге, посвященной как поверхностно-активным веществам, так и полимерам и соединяющей оба научных направления.
Предлагаемая читателям книга претендует на заполнение этого пробела.
Данная книга скорее имеет практический уклон, и в меньшей степени посвящена теоретическому анализу. Она написана как справочник для научных работников и инженеров, работающих в промышленности и занимающихся академической наукой. Она также может служить учебником для студентов университетов и для работников промышленности. В таких целях она уже использовалась
на стадии рукописи в университете Лунда.

Предисловие к первому изданию

Источником материала для книги стали ежегодные курсы лекций «Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах», которые мы читали в различных местах южной Европы, начиная с 1992 г. Сначала лекционный
материал был представлен в виде копий рисунков для диапроектора, затем разросся в пространные конспекты лекций, а затем превратился в учебное пособие.
После нескольких циклов отделки материал стал этим томом.
Мы благодарим слушателей курсов всех лет за множество полезных замечаний и предложений.
Нам хотелось бы поблагодарить компанию Akzo Nobel Surface Chemistry
AB, особенно доктора Леннарта Далгрена, за финансовую поддержку издания
этой книги. Мы благодарим Малека Кано за мастерское исполнение рисунков.
Мы благодарны коллегам из Лунда и Стокгольма за предоставленные материалы и полезные дискуссии.

Стокгольм и Лунд
Кристер Холмберг
Ноябрь 1997
Бу Йёнссон
Бенгт Кронберг
Бьёрн Линдман

8
Предисловие к первому изданию

Адсорбция поверхностно-активных веществ
на межфазных границах

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) характеризуются ярко выраженной
способностью адсорбироваться на поверхностях и на межфазных границах. Термин «межфазная граница» принято относить к границе между двумя несмешивающимися фазами, термин «поверхность» указывает на то, что одной из фаз является газ, как правило, — воздух. Таким образом, существует пять различных
межфазных границ:

твердое тело – пар
(поверхность)
твердое тело – жидкость (межфазная граница)
твердое тело – твердое тело (межфазная граница
жидкость – пар
(поверхность)
жидкость – жидкость ( межфазная граница)

Движущей силой адсорбции ПАВ на поверхностях и на межфазных границах является снижение свободной энергии границы раздела фаз. Межфазная
свободная энергия, отнесенная к единице площади, равна работе, которую необходимо совершить для увеличения поверхности. Вместо термина «межфазная свободная энергия на единицу площади» часто используют термин «межфазное натяжение». Так, поверхностное натяжение воды эквивалентно удельной свободной энергии границы между водой и воздухом. Если поверхность
покрыта молекулами ПАВ, поверхностное натяжение (или работа, необходимая для увеличения межфазной границы) уменьшается. Чем плотнее упаковка
молекул ПАВ на поверхности, тем больше снижение поверхностного натяжения.
Поверхностно-активные вещества могут адсорбироваться на любой из пяти
границ раздела фаз, перечисленных выше. В данном разделе обсуждение ограничено рассмотрением межфазных границ, когда по крайней мере одна фаза является жидкостью. Часто (но не всегда) этой жидкостью является вода. Примеры различных межфазных границ и системы, в которых такие границы играют
важную роль, приведены в табл. 1.1.

Глава 1
Введение в химию
поверхностно-активных веществ

Во многих композиционных продуктах присутствуют одновременно несколько типов межфазных границ. Примерами могут служить водо-основные
краски и красители для бумаги. С точки зрения коллоидной химии они представляют собой чрезвычайно сложные системы, в которых есть как межфазные
границы твердое тело–жидкость (дисперсные частицы пигмента), так и жидкость–жидкость (капли латекса или какого-либо другого связующего материала). Кроме того, на стадии применения этих систем часто наблюдается пенообразование (что весьма нежелательно) с возникновением границы раздела жидкость–газ. Все межфазные границы при этом стабилизированы ПАВ и общая
межфазная поверхность огромна. Межфазными границами масло–вода и твердое тело– вода, существующими в одном литре краски, можно покрыть поверхность нескольких футбольных полей.
Стремление ПАВ аккумулироваться на межфазных границах является их
фундаментальным свойством. В принципе, чем сильнее эта способность, тем
выше эффективность ПАВ. Степень концентрирования ПАВ на поверхности зависит от строения их молекул и от природы контактирующих фаз. Поэтому не
существует универсального эффективного ПАВ, пригодного для любых систем.
Выбор подходящего ПАВ определяется функциями, которые оно должно выполнять в данной системе. Эффективное ПАВ должно иметь низкую растворимость в жидких фазах. Некоторые ПАВ (включая поверхностно-активные макромолекулы) нерастворимы в воде и в неполярных жидкостях и локализуются
только на межфазных границах. С такими веществами трудно работать, но они
очень эффективно снижают межфазное натяжение.
Поверхностно–активное вещество способно снижать поверхностное или
межфазное натяжение до определенного предела. Обычно этот предел достигается, когда в растворе начинается мицеллообразование. Из данных, приведенных в табл. 1.2, видно, насколько эффективно ПАВ снижают поверхностное и
межфазное натяжение. Указанные значения поверхностного и межфазного натяжения типичны для обычных мягких жидких моющих средств (детергентов).
Специально подбирая ПАВ, можно достичь сверхнизкого межфазного натяжения, т. е. значений порядка 10–3 мН/м или ниже. В качестве примера систем со
сверхнизким межфазным натяжением можно привести трехфазную систему, состоящую из микроэмульсии в равновесии с избытком водной и масляной фаз.
Микроэмульсии представляют интерес для повышения нефтеотдачи (см. гл. 22).

10
Глава 1

Таблица 1.1. Межфазные границы с участием жидкой фазы

Межфазная граница
Тип дисперсной системы
Примеры

Твердое тело – жидкость
Суспензия
Водо-основные краски

Жидкость – жидкость
Эмульсия
Молоко, кремы

Жидкость – пар
Пена
Крем для бритья