Гидрофобность — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.
Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей.
Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.
Слово «гидрофобный» часто используется в качестве синонима к слову «липофильный» — «жиролюбивый», хотя это не вполне корректно. Действительно, гидрофобные вещества в целом липофильны, но среди них есть и исключения — например, силиконы.
Химические основы
Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой. Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.
Сверхгидрофобность
Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно не склонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-пленка. В работе показано, что поверхность ванадия пентоксида может переключаться между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путем нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц V2O5, например, с помощью струйного принтера. Тут гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями 2.1 нм). Механизм действия УФ излучения состоит в создании пар «электрон-дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решетке, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. Кислородные вакансии закрываются водой и такое поглощение воды поверхности ванадия делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом гидрофильность утрачивается.
Поверхностная гидрофобизация
Поверхностная гидрофобизация применяется для защиты вертикальных поверхностей строительных конструкций из бетона, железобетона и каменных кладок от периодического воздействия атмосферных осадков. Осуществляется это путем обработки бетонных поверхностей специальными кремнийорганическими составами ( § 5), с целью уменьшения их способности смачиваться водой.
Поверхностная гидрофобизация гипса растворами или эмульсиями ГКЖ-94 не дает заметного гидрофобного эффекта.
Поверхностной гидрофобизации повергают каменную кладку ( особенно из неморозостойкого кирпича), пористые каменные породы, плптки, известняки, стыки наружных стен, фасады домов, цементные стяжки в междуэтажных перекрытиях санузлов, силикатные, известковые и цементные краски п штукатурки.
При поверхностной гидрофобизации на лакокрасочном покрытии образуется пленка, толщина которой может составлять 1000 А. Эта неудаляемая пленка обусловливает гидрофобные свойства поверхности. Объемная модификация достигается путем введения различных реагентов в лакокрасочные материалы. При этом происходит изменение не только поверхностных, но и объемных свойств лакокрасочного покрытия.
При поверхностной гидрофобизации растворами кремнийоргани-ческих соединений, обладающими низкими вязкостью ( 10 — 15 мм2 / с) и поверхностным натяжением, они глубоко проникают в мельчайшие-поры материала.
Высокий эффект дает поверхностная гидрофобизация гипса. В результате гидрофобизации гипса растворами метилтрихлорси-лана в керосине водопоглощение его значительно снижается.
Гораздо более эффективной оказывается поверхностная гидрофобизация силикальцита.
Расход указанных гидрофобизирующих растворов при поверхностной гидрофобизации составляет в среднем 0 25 л на 1 м2 обрабатываемой поверхности.
Значительно более высокий гидрофобный эффект дает поверхностная гидрофобизация изделий из перлита. Двухкратная обработка образцов перлитобетона 5 % — ным раствором ГКЖ-94 снижает их водопоглощение за 48 ч в 18 раз по сравнению с контролем. Увеличение концентрации раствора ГКЖ-94 до 10 % вызывает повышение гидрофобного эффекта: водопоглощение за 48 ч при этом снижается в 25 раз.
Из табл. 60 видно, что поверхностная гидрофобизация газобетона значительно снижает его водопоглощение и капиллярный подсос. Лучший результат дает обработка газобетона 3 % — ным водным раствором метилсиликоната натрия и 5 % — ным раствором полиэтилгидросилоксана. Водопоглощение гидрофобизованных образцов после 48 ч пребывания в воде в 2 5 раза ниже, чем у контрольных, а водопоглощение при капиллярном подсосе снижается в 7 — 8 раз.
Для придания водоотталкивающих свойств материалам можно производить объемную или поверхностную гидрофобизацию, которая осуществляется нанесением на поверхность тончайшего водоотталкивающего покрытия, образующегося при обработке материала в жидкой или, реже, в паровой фазе очень малыми количествами специальных поверхностно-активных веществ, называемых гидро-фобизаторами. В основе процесса гидрофобизации лежит ориентированная адсорбция на твердой поверхности молекул гидрофобизато-рас образованием гидрофобных моно — или полимолекулярных слоев.
Одним из способов повышения водонепроницаемости и улучшения других технических свойств бетона является его поверхностная гидрофобизация или введение в бетонную смесь при затворении гидрофобизующих добавок.
В других случаях для защиты цементных растворов и бетонов от действия воды следует применять поверхностную гидрофобизацию. Несколько менее эффективны 5 % — ные водные растворы алкилсшшконатов натрия ( ГКЖ-Ю и ГКЖ-Н), но водоотталкивающие покрытия на их основе значительно дешевле.
Следует при этом напомнить, что известковые и клеевые краски плохо сцепляются с поверхностью штукатурки, подвергнутой поверхностной гидрофобизации.
Технические характеристики плит
Технические характеристики | Единица измерения | Показатель |
Плотность | кг/м3 | 150 |
Длина | мм | 1000 |
Ширина | мм | 500 |
Толщина | мм | 50-100 |
Прочность на сжатие при 10% -й деформации | кПа, не менее | 45 |
Прочность на отрыв слоев | кПа, не менее | 7,5 |
Теплопроводность | ||
При температуре 10 С | Вт/(м.К), | 0,034 |
При температуре 25 С | 0,038 | |
При условиях эксплуатации А | 0,043 | |
При условиях эксплуатации Б | 0,045 | |
Водопоглощение по объему | %, не более | 1,0 |
Влажность по массе | 0,5 | |
Содержание органических веществ, по массе | 4,0 | |
Горючесть | группа | НГ |
Цены на гидрофобизированные плиты
Наименование | Размеры (мм) | Стоимость (руб/м3) |
Негорючие гидрофобизированные плиты из минеральной ваты на основе каменных пород | ||
Мин плита П-75 | 1000*500*50-100 | 1730,00 |
Мин плита П-125 | 1000*500*50-100 | 2230,00 |
ПМ-40 | 1000*500*50-100,120,150 | 1280,00 |
ПП-60 | 1000*500*40-100,120,140,150 | 1550,00 |
ПП-80 | 1000*500*50-100,120,150 | 1900,00 |
Базис ПЖ | 1000*500*50-100,120,150 | 3650,00 |
ПЖ-100 | 1000*500*40-100,120,140 | 2400,00 |
ПЖ-160 | 1000*500*40-100,120,140 | 3850,00 |
ППЖ-200 | 1000*500*40-100,120,140 | 3950,00 |
Гидрофобная поверхность
Гидрофобные поверхности, такие, как полистирол и фенолформаль-дегидная смола, могут быть модифицированы обработкой в течение нескольких минут при комнатной температуре дымящей серной кислотой, трехокисью серы или хлорсульфоновой кислотой.
Сильно развитая гидрофобная поверхность пен, так же как и поверхность мицеллы, может захватывать гидрофобные загрязнения, и пены обладают эффективным моющим действием.
КПАВ гидрофобная поверхность может формироваться даже на не смоченной нефтью поверхности, то при использовании водорастворимых КПАВ с сильными функциональными полярными группами, видимо, чаще происходит усиление уже имеющейся гидрофобной поверхности. Утолщенный слой углеводорода на поверхности, в свою очередь, может перемещаться в стороны, смачиваемые водой. Вытеснению последней способствует и уменьшение поверхностного натяжения на границах раздела фаз.
Понятия гидрофильная и гидрофобная поверхность относятся лишь к смачиванию твердых тел водой. При смачивании поверхностей другими жидкостями используют понятия олеофоб-ность и олеофильность. Приставка оле означает адгезионное взаимодействие с твердой поверхностью углеводородных жидкостей или в общем случае других жидкостей, кроме воды.
Различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.
Для гидрофобной поверхности, когда 6 90, краевой угол растет с повышением температуры. Так, для раствора С3Н7СООН, а еще в большей степени для парафинового масла наблюдается рост краевого угла с увеличением температуры. Для парафинового масла этот рост происходит от 145 до 160 при увеличении температуры от 22 до 75 С.
Смачиваемость гидрофобной поверхности баритовых утяжелителей нефтепродуктами, присутствующими в буровых растворах, во многом зависит от их физико-химических свойств, определяющих характер и природу молекулярных сил, вязкость, поверхностное натяжение на границе с водой и воздухом и др. В исследованиях нами были использованы различные нефти месторождений Краснодарского края, а также дизельное топливо и его смесь с наиболее вязкой нефтью.
Однако получить чистые гидрофобные поверхности металлов удается лишь специальными методами, и все встречающиеся на практике поверхности металлов обычно гидрофильны. Смачиваемость металлов также обусловливается их поляризацией. Если металлическая поверхность не заряжена, то она гидрофобна. Заряжая поверхность и создавая на ней, таким образом, двойной электрический слой, можно довести ее до любой степени гидро-фильности.
Однако получить весьма чистые гидрофобные поверхности металлов удается лишь специальными методами , а все встречающиеся на практике металлические поверхности обычно гидрофильны. Если металлическая поверхность не заряжена, то она гидрофобна.
Лишь на идеально гладких гидрофобных поверхностях ( парафин, графит) гистерезиса смачивания практически не наблюдается. Особенно большую величину гистерезис обычно имеет на поверхностях, гидрофобизованных ориентированной адсорбцией химически фиксированных поверхностно-активных молекул. Эти молекулы расположены на поверхности в виде щетки, которая состоит из углеводородных цепей, ориентированных нормально к поверхности и закрепленных на последней за счет полярных групп так, что связанные химически молекулы не могут передвигаться тангенциально. Нанесение таким способом фиксированного ориентированного адсорбционного слоя и обусловливает, вследствие появления резко выраженного гистерезиса, сильное понижение смачиваемости поверхности после ее гидрофобизации. В случае гидрофобной поверхности образуется выпуклая форма мениска воды ( рис. IX, 8, а) с относительно большим краевым углом.
В этом смысле гидрофобные поверхности неточно называют в технике водоотталкивающими.
Технология применения силиконовых гидрофобизаторов
Поверхностная гидрофобизация. Предусматривает нанесение на обрабатываемую поверхность рабочего состава СГ (содержание активного вещества 2-10%), получаемого разбавлением концентрата (товарная форма). Нанесение осуществляется наиболее оптимальным для данного типа СГ и обрабатываемого материала способом: распылением, окунанием, поливом, кистью или валиком.
Объемная гидрофобизация. Может выполняться как на стадии производства строительного материала, так и путем принудительной пропитки готовых конструкций. На стадии производства строительного материала СГ вводится вместе с водой путем затворения в количестве, как правило, 0,15% активного вещества от массы связующего (например, цемента). Принудительная пропитка осуществляется методом инъекций (закачивания под давлением) через «шпуры», просверленные в массиве уже сформированного материала или конструкции пропиточного раствора с содержанием основного вещества 0,1-1,0%.
Максимальная эффективность и долговечность достигается при совмещении объемной и поверхностной гидрофобизации.
Условия, необходимые для эффективной гидрофобизации обрабатываемой поверхности силиконовыми материалами различного типа:
Тип 1. Необходимо наличие углекислого газа и паров воды для перевода основного вещества в активную форму. Побочный продукт протекающих процессов — карбонат (или гидрокарбонат) щелочного металла, остающийся в порах материала. Образует защитное покрытие как «подшиваясь» на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.
Тип 2. Необходимо наличие паров воды для перевода основного вещества в активную форму. Побочный продукт химической реакции — пары спирта, улетучивающиеся через поры материала. Образует защитное покрытие как «подшиваясь» на материал, так и в результате взаимодействии молекул СГ между собой.
Тип 3. Наиболее универсален. Проявляет максимальную активность при наличии в обрабатываемом материале гидроксильных групп (-ОН), которые присутствуют практически во всех строительных материалах. Образует защитное покрытие, «подшиваясь» на материал. Побочный продукт — крайне незначительное количество газообразного водорода, быстро улетучивающееся через поры материала.
Тип 4. Для перевода основного вещества в активную форму необходимо присутствие специализированных катализаторов и паров воды. Состав побочных продуктов зависит от типа используемого катализатора. Образует защитное покрытие как «подшиваясь» на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.
Кроме основного эффекта (защита от намокания), СГ сообщают конструкционным материалам ряд весьма полезных дополнительных свойств: резкое повышение коррозионной стойкости и морозостойкости (как следствие отсутствия намокания), повышение прочностных свойств, обусловленное тем, что в процессе гидрофобизации СГ выступает как дополнительный агент, укрепляющий структуру строительного материала наличие определенных свойств ПАВ, присущих СГ типов 1 и 3, позволяет на стадии производства строительного материала (в частности, бетона) регулировать такие показатели, как подвижность, водопотребность, удобоукладываемость, зависимость пластической прочности от времени и воздухововлечение. В частности, при производстве цемента введение указанных СГ перед стадией помола клинкера обеспечивает: при фиксированной производительности — повышение марки цемента; при фиксированной марке цемента — повышение производительности; приобретение антислеживающих свойств; значительное увеличение срока хранения и транспортировки (в т.ч. во влажной атмосфере); возможность выпуска гидрофобизированных цементсодержащих материалов (бетон, шифер, др.) без изменения существующей технологии производства.
Какому фасаду нужна гидрофобизация
Фасад ежесекундно контактирует с окружающей средой, которая оказывает на него губительное воздействие. Современные разработки в сфере защиты строительных материалов позволяют минимизировать влияние влаги и ультрафиолета. При возведении новых домов эта возможность учитывается и реализовывается. Но помимо новостроек есть огромное количество давно эксплуатируемых зданий.