1.1. Водные дисперсии полимеров | Всё о красках

Полимеры в воде могут существовать в виде раствора или дисперсии. Для растворения в воде макромолекулы полимера должны содержать ионные группы (карбоксильные, аммониевые) или значительное количество неионных гидрофильных групп либо сегментов (гидроксильные, карбонильные, аминнные, амидные группы и/или полиэфирные цепи). Если гидрофильность полимерной молекулы недостаточна для образования истинных растворов (гидрозолей), несколько полимерных макромолекул ассоциируются в крупные агрегаты и образуют вторичные коллоидные системы — гидрогели. Еще более крупные агрегаты полимерных частиц образуют дисперсии (эмульсии). Основные свойства водных систем полимеров, используемых в технологических процессах, приведены в таблице  1.

Дисперсия — многофазная система, в которой по крайней мере одна фаза существует в виде микроскопических частиц (дисперсная фаза жидкая или твердая) внутри однородной фазы (дисперсионной среды — жидкой или газообразной). Дисперсии, у которых и дисперсионная среда, и дисперсная фаза жидкие, называются эмульсиями.

В водных дисперсиях полимеров дисперсная фаза состоит из сферических полимерных частиц диаметром менее 1 мкм, а дисперсионной средой является вода. Водные дисперсии полимеров представляют собой молочно-белые жидкости с различной вязкостью. В 1 мл дисперсии полимера содержится около 1015 частиц, каждая из которых состоит из 1-10 000 макромолекул, а каждая макромолекула включает около 108 блоков (мономерных единиц) .

Дисперсии полимеров термодинамически неустойчивы. Полимерные частицы имеют тенденцию к минимизации внутренней площади поверхности путем агломерации, коагуляции или оседания. Для предотвращения этих явлений используют разные стабилизаторы, но несмотря на это различные внешние воздействия (встряхивание, сильное перемешивание и т.п.) могут дестабилизировать дисперсии, что приводит к их коагуляции.

Таблица 1

Полимерные дисперсии делятся на первичные и вторичные. Первичные — получают полимеризацией мономеров в жидкой фазе (эмульсионная полимеризация в воде), вторичные — путем эмульгирования при перемешивании готового полимера, например раствора олигомерного пленкообразователя в жидкой среде.

Наибольший интерес для лакокрасочной промышленности представляют первичные дисперсии, получаемые методом эмульсионной полимеризации.

Наиболее распространенными пленкообразователями, используемыми в рецептурах ЛКМ, являются водные дисперсии акриловых сополимеров (чистые акрилаты), акрилстирольных сополимеров (стиролакрилаты), а также гомо — и сополимеров винилацетата (с этиленом, этиленвинилхлоридом, эфирами акриловой или метакриловой кислоты).

Другие водные дисперсии, например сополимеров стирола с бутадиеном и полиуретанов, практически не используют в рецептурах широко применяемых ВД-ЛКМ. Причиной этого являются низкая атмосфере-стойкость и сильное пожелтение покрытий на основе стиролбутадиено-вых сополимеров и высокая стоимость вторичных полиуретановых дисперсий.

Водные полиуретановые дисперсии: свойства и применение ПУД

Водные полиуретановые дисперсии (далее ПУД) — современный класс пленкообразующих материалов для лакокрасочной промышленности и клеев. Набирают популярность благодаря своим свойствам:

• 
  адгезия к различным поверхностям;

• 
  устойчивость к химическим веществам, растворителям и воде; 

• 
  устойчивость к истиранию; 

• 
  гибкость и ударопрочность; 

• 
  негорючесть; 

• 
  содержание летучих органических веществ — 0,5–10 %. 

Свойства 

Водные ПУД представляют собой стабильную коллоидную систему. Дисперсионная среда — вода, дисперсная фаза — полиуретанмочевина. Стабилизация системы достигается гидрофильными группами в полимере. Гидрофильные группы делятся на три типа:

• 
  неионные: например, полиэтиленоксидные цепи; 

• 
  катионные: например, алкилированные или протонированные третичные амины; 

• 
  анионные: например, карбоксилатные или сульфонатные группы. 

Группы действуют как внутренние диспергирующие агенты, с их помощью получают водные дисперсии с размером частиц 0,01–0,2 мкм. При высоких концентрациях гидрофильных групп полимер растворяется в воде, при средних — диспергируется. При низких концентрациях полярная группа обеспечивает стерическую стабилизацию дисперсии полимера в воде.

Способность водных полиуретанов комбинировать образование пленки при низких температурах, придавать им высокую твердость — результат водонаполненной структуры. Получение ПУД с малым размером частиц 20–100 нм также полезно: уменьшение размера частиц влияет на скорость и степень слияния. Достигнутая твердость пленки обусловлена ​​наличием фазы жесткого изоцианатного блока. 

Область применения

Дисперсии полиуретана подходят для окраски пластмасс, дерева, металлических, минеральных поверхностей, склеивания деревянных конструкций, а также для создания герметиков, клеев и водозащитных покрытий по тканям. ПУД используют не только из-за свойств, но также из-за давления со стороны мирового законодательства в отношении сырья с содержанием органических растворителей.

Стандартные системы полиуретановых смол, которые используют в лакокрасочных материалах, содержат 40–60 % летучих органических растворителей. В конце 1960-х годов производители полиуретановых смол разработали процессы, которые позволили синтезировать водные ПУД с содержанием растворителя 5–10 %. Идут работы по созданию рецептур водных ПУД без органических растворителей.

Способ синтеза водных ПУД

Сначала формируется форполимер путем взаимодействия полиола со стехиометрическим избытком полиизоцианата. Способы, которыми форполимер удлиняется, а вязкость поддерживается на низком уровне, различаются. Полимер, подлежащий диспергированию в воде, функционализируется солюбилизирующими и диспергирующими в воде группами. Их вводят либо в форполимер перед удлинением цепи, либо как часть агента удлинения цепи. Таким образом, стабильные дисперсии мелких частиц часто получают без использования добавленного извне поверхностно-активного вещества. 

При растворении полиуретановый форполимер с концевыми изоцианатными связями в растворе удлиняется цепью, чтобы предотвратить чрезмерную вязкость. Предпочтительный растворитель — ацетон, процесс называют ацетоновым. Удлинителем цепи выступает, например, функциональный диамин сульфоната, и в этом случае водорастворимую и диспергирующую группу вводят на стадии удлинения цепи. Удлиненный в цепи полимер правильнее описывать как полиуретановую мочевину. Затем к раствору полимера добавляют воду, и после инверсии фаз получают дисперсию раствора полимера в воде. Удаление растворителя перегонкой дает желаемую водную дисперсию полимера. Реакция показана на рисунке.

оптика — Рассеивание света в воде

спросил
9 лет, 10 месяцев назад

Изменено
2 года назад

Просмотрено
6к раз

$\begingroup$

Простой вопрос: Вода явно не диспергирует, если она у нас есть, например, в стакане воды. Мы не видим радугу сквозь стакан воды. Однако капли воды рассеивают свет в атмосфере и позволяют нам увидеть радугу, я прав? Почему это? В каких условиях вода диспергируется, а в каких нет?

• оптика
• видимый свет
• дисперсия

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Дисперсия, приводящая к эффекту радуги, создаваемому прозрачными средами, является следствием внутреннего свойства рассматриваемой среды: зависимости ее показателя преломления $n$ от длины волны проходящего через нее света $\lambda$. В этом смысле вода в стакане столь же дисперсионна, как капли воды в радуге.

Когда разные длины волн проходят из воздуха в образец воды, они преломляются на разную величину в соответствии с законом Снеллиуса и тем фактом, что показатель преломления воды изменяется в зависимости от длины волны.

Так почему же вы не видите радугу в одних ситуациях, но видите радугу в других? Ну, это потому, что способность видеть радугу зависит от геометрии образца воды, под каким углом падает свет и откуда виден рассеянный свет.

Например, предположим, что у нас есть образец белого света (содержащего все длины волн), который нормально (перпендикулярно поверхности) падает на прямоугольную призму из воды, тогда по закону Снелла свет вообще не преломляется, когда он проходит через образец, и мы не видим дисперсии.

С другой стороны, если на столе есть капля, то мы можем сделать так, чтобы белый свет падал на каплю таким образом, чтобы он не падал нормально на каплю и выходил из капли таким образом что он попадает на стол, позволяя нам видеть все разделенные цвета.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Как говорится в другом ответе, вода в равной степени «диспергирует» в том смысле, насколько показатель преломления изменяется для разных длин волн света. Однако способность видеть/обнаруживать/наблюдать эффекты дисперсии требует хорошей геометрической настройки, и это требование можно прояснить на некоторых примерах.

Во-первых, обратите внимание, что обычная стеклянная призма всегда имеет размер 9.0047 треугольной призмы , показан тонкий луч света, проходящий через нее и расщепляющийся на части. Это все преднамеренно:

1. Если свет проходит через параллельные стороны, то угол выхода будет таким же, как и угол входа, и поэтому вам нужно будет различать цветные лучи света. все движутся параллельно друг другу. Очень трудно увидеть. Поэтому вместо прямоугольной призмы используйте треугольную призму, чтобы выходной угол зависел от показателя преломления, а не только от положения выхода.

2. Если вы используете широкий луч света (или открытый солнечный свет), то разделение одной части света будет перекрываться с разделением части рядом с ней, делая все это более «белым» из-за смешанных цветов.

Иногда эффект рассеивания можно увидеть даже при ярком солнечном свете, особенно если призму повесить перед окном. Однако обратите внимание, что вы по-прежнему упростили настройку для этого: повесив перед окном, вы гарантируете, что весь солнечный свет падает под одним и тем же углом, что пол будет достаточно темным, чтобы четко видеть цвета. , что призма будет параллельна полу или столу, на который она освещает, и что призма будет медленно поворачиваться, пока вы не заметите эффект при наилучшем угле входа.

Вот почему uhoh предложил ограничить свет узким лучом и позволить ему пройти через стакан с водой на полпути между центром и краем. Узкий луч решает (2), а расположение обеспечивает угловой вход и выход для решения (1). (Вы можете заметить, что если вы возьмете края стекла в этом положении и «сплющите» их, вы получите треугольную форму, похожую на призму!)

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

Коллоиды — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Коллоид — это один из трех основных типов смесей, два других — раствор и суспензия. Коллоид представляет собой смесь, которая имеет частицы диаметром от 1 до 1000 нанометров, но при этом способна оставаться равномерно распределенными по всему раствору. Они также известны как коллоидные дисперсии, потому что вещества остаются диспергированными и не оседают на дно контейнера. В коллоидах одно вещество равномерно диспергировано в другом. Диспергируемое вещество называется находящимся в дисперсной фазе, а вещество, в котором оно диспергировано, находится в непрерывной фазе.

Чтобы быть классифицированным как коллоид, вещество в дисперсной фазе должно быть больше размера молекулы, но меньше того, что можно увидеть невооруженным глазом. Это может быть более точно определено количественно, поскольку один или несколько размеров вещества должны составлять от 1 до 1000 нанометров. Если размеры меньше этого, то вещество считается раствором, а если они больше, то вещество является суспензией.

Классификация коллоидов

Обычный метод классификации коллоидов основан на фазе диспергированного вещества и фазе, в которой оно диспергировано. Типы коллоидов включают золь, эмульсию, пену и аэрозоль.

1. Sol представляет собой коллоидную суспензию с твердыми частицами в жидкости.
2. Эмульсия находится между двумя жидкостями.
3. Пена образуется, когда большое количество частиц газа попадает в жидкость или твердое тело.
4. Аэрозоль содержит мелкие частицы жидкости или твердого вещества, диспергированные в газе.

Рисунок 1: Примеры стабильной и нестабильной коллоидной дисперсии. Из Википедии.

Когда дисперсионной средой является вода, коллодиальную систему часто называют гидроколлоид . Частицы в дисперсной фазе могут находиться в разных фазах в зависимости от того, сколько воды доступно. Например, порошок желе, смешанный с водой, образует гидроколлоид. Обычно гидроколлоиды используются для изготовления медицинских повязок.

Простой способ определить, является ли смесь коллоидной или нет, заключается в использовании эффекта Тиндаля. Когда свет проходит через истинный раствор, свет чисто проходит через раствор, однако, когда свет проходит через коллоидный раствор, вещество в дисперсных фазах рассеивает свет во всех направлениях, делая его хорошо видимым. Например, посветить фонариком в туман. Луч света можно легко увидеть, потому что туман представляет собой коллоид.

Рисунок 2: Свет проходит сквозь воду и молоко. Свет не отражается при прохождении через воду, потому что это не коллоид. Однако он отражается во всех направлениях, когда проходит через молоко, которое является коллоидным.

Другой метод определения того, является ли смесь коллоидной, заключается в ее пропускании через полупроницаемую мембрану. Более крупные диспергированные частицы в коллоиде не могут пройти через мембрану, в то время как окружающие молекулы жидкости могут. Диализ использует тот факт, что коллоиды не могут диффундировать через полупроницаемые мембраны, чтобы отфильтровать их из среды.

Проблемы

1. Является ли пыль коллоидом? Если да, то какой это тип?
2. Является ли взбитые сливки коллоидом? если да, то какой это тип?
3. Что означает Сол?
4. Что происходит с коллоидной смесью при попадании света?
5. Какой считается смесь, если частицы крупнее частиц коллоидного вещества

Ответы

1. Пыль представляет собой коллоид, если она взвешена в воздухе.