Произведение поверхностного натяжения на величину поверхности называется свободной) поверхностной энергией. Способность веществ по-) нижать свободную поверхностную энергию (поверхностное натяжение) характеризуется поверхностной активностью. Вещества, понижающие поверхностное натяжение раствора, называются поверхностно-активными (ПАВ). Обычно ПАВ — это полярные органические соединения.

Рис. 1. Схема действия молекулярных сил в поверхностном слое

Полярность ПАВ обусловлена строением молекул, состоящих из двух различных по своим свойствам частей. Одна часть молекулы является гидрофобной (водоотталкивающей) и способствует растворению ПАВ в масле, другая — гидрофильная, способствует растворению ПАВ в воде. Гидрофобная часть молекулы (радикал) состоит из остатка углеводородной цепи обычно длиной из 10—18 углеродных атомов.

Рис. 2. Схема моющего процесса:
1 — ориентированная адсорбция молекул ПАВ на границе воздух — жидкость; 2 — гидрофильная часть молекул ПАВ; 3 — гидрофобная часть молекулы ПАВ (радикал); 4 — адсорбция молекул ПАВ на границе жидкость — твердое тело; 5 —1 очищаемая поверхность; А — твердая грязевая частица, отторгнутая от поверхности; Б — жидкая грязевая частица; В — твердая грязевая частица на поверхности

Наиболыпую важность для моющих процессов имеют коллоидные (мылоподобные) ПАВ. Молекулы коллоидных ПАВ имеют развитые углеводородные радикалы и сильно гидрофильные полярные группы. В водных растворах коллоидные ПАВ обладают высокой поверхностной активностью и способностью образовывать, начиная с определенных концентраций, коллоидные агрегаты — мицеллы. Образование мицелл при критической концентрации мицеллообразовання (ККМ) приводит к резкому изменению объемных свойств растворов ПАВ.

При ККМ достигается максимальное моющее действие растворов ПАВ. Величина ККМ зависит от структуры ПАВ, наличия в растворе щелочных добавок (электролитов), температуры раствора и для различных ПАВ составляет 1 —10 г/л. Для практических целей наиболее важна способность щелочных добавок значительно снижать ККМ. Это приводит к тому, что максимальное моющее действие растворов начинает проявляться при меньшем ККМ, а следовательно, и при меньшем расходе ПАВ.

Высокая поверхностная активность и способность к мицеллообразованию обеспечивает коллоидным ПАВ комплекс свойств, определяющих их моющее действие: смачивающую, эмульгирующую, диспергирующую, со-любилизирующую и стабилизирующую способности.

Смачивание заключается в растекании капли жидкости, помещенной на поверхность твердого тела (рис. 5). При этом угол 0, образуемый касательной к поверхности растекающейся капли с поверхностью тела, называется краевым углом. Если краевой угол меньше 90°, то поверхность тела смачивается, если угол больше 90° — поверхность не смачивается. Поверхности, смачиваемые водой, называются гидрофильными, а не смачиваемые водой — гидрофобными.

Смачиваемость твердого тела жидкостью зависит от поверхностного натяжения жидкости, от природы и состава жидкости и твердого тела. Например, поверхности, загрязненные маслами, хорошо смачиваются углеводородными растворителями и не смачиваются чистой водой. Добавление в воду ПАВ понижает поверхностное натяжение воды и обеспечивает смачивание загрязненных маслами поверхностей.

Рис. 3. Схема растекания капли жидкости на твердой поверхности:

Как известно, загрязнения автомобильных двигателей состоят из двух фаз — жидкой (масла, смолы) и твердой (асфальтены, карбены, карбоиды). Удаление таких загрязнений с поверхности происходит двумя путями: эмульгированием жидкой фазы (образование эмульсий) и диспергированием твердой фазы (образование дисперсий).

Эмульсией называется система несмешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в виде мелких капель в другой. Эмульсии подразделяются на два типа: эмульсии прямые — «масло в воде» и эмульсии обратные «вода в масле». Под маслом здесь понимается любая органическая жидкость, нерастворимая в воде и водных растворах.

Эмульгирование жидкой фазы загрязнений возможно в водных растворах ПАВ. Молекулы ПАВ создают на поверхности капель масла прочные адсорбционные слои. Гидрофобная часть молекулы связывается с маслом, а гидрофильная — ориентируется в сторону водного раствора. При этом происходит гидрофилизация капель масла, что препятствует их слиянию (коалесценции). Вещества, в данном случае ПАВ, адсорбирующиеся на поверхности гидрофобных частиц, называются эмульгаторами. Диспергирование твердой фазы загрязнений происходит благодаря адсорбции поверхностно-активных веществ на частицах загрязнений. Малое поверхностное натяжение раствора позволяет ему проникать в мельчайшие трещины частиц загрязнения и адсорбироваться ПАВам на поверхностях этих частиц. Адсорбированные молекулы ПАВ создают расклинивающее давление на частицы, разрушая и измельчая их. На процессы эмульгирования и диспергирования большое влияние оказывает механическое воздействие раствора, способствующее разрушению загрязнений.

Водные растворы коллоидных ПАВ при концентрации выше ККМ способны поглощать значительные количества нерастворимых в воде веществ, как твердых, так и жидких (бензин, ксилол, оксикислоты, асфальтены и т. д.). При этом образуются прозрачные, устойчивые и не расслаивающиеся со временем растворы. Этот процесс называется коллоидным растворением, или солюбилизацией. Явление солюбилизации основано на способности мицелл ПАВ поглощать гидрофобными углеводородными радикалами молекулы веществ, нерастворимых в воде.

Важным этапом в моющем процессе является стабилизация в растворе отмытых загрязнений и предупреждение их повторного осаждения на очищенную поверхность. Стабилизация загрязнений зависит в основном от состава моющего раствора и технологических условий его применения (концентрация, температура, загрязненность).

В быту принято судить о качестве моющего раствора по количеству образующейся пены. Это не совсем верно. Пена способствует удержанию диспергированного загрязнения и предотвращению его осаждения на очищенную поверхность. Однако отождествлять пенообразование с моющим действием нельзя, так как пенообразование не является специфической характеристикой моющего действия.

При очистке поверхности металлов пенообразование имеет большое значение. В одних случаях пенообразование— это положительное явление, например, при пароводоструйной или электролитической очистке, когда слой пены предотвращает разбрызгивание моющего раствора или создает защитный слой, уменьшающий проникновение едких испапений в атмосферу. В большинстве же случаев пенообразование является отрицательным фактором, т. е. ограничивает использование интенсивного перемешивания моющего раствора. Например, в струйных моечных машинах нельзя применять моющие средства с высоким уровнем пенообразования.

Измерение пенообразования и определение устойчивости пены растворов ПАВ и моющих средств производится в большинстве стран на приборе Росса — Майлса. Способ Росса — Майлса сводится к образованию столба пены при стекании в мерный стеклянный цилиндр 200 мл испытуемого раствора. Высоту пены, т. е. пенообразующую способность, определяют в момент окончания истечения раствора. Устойчивость пены определяют из отношения высоты столба в данный момент к первоначальной высоте столба. Для измерения пенообразования можно применять методы, основанные на перемешивании раствора пропеллерной мешалкой, про* дувании воздуха, струйном перемешивании и др.

Щелочность. Щелочность моющих растворов является важнейшим фактором, определяющим эффективность очистки. Щелочность определяет способность растворов нейтрализовать кислые компоненты загрязнений, омы-лять масла, снижать контактное натяжение растворов, жесткость воды и т. д. Различают общую и активную щелочность. Общая щелочность определяется титрованием кислотой с индикатором метилоранжем, а активная — титрованием с фенолфталеином. Моющее действие растворов зависит только от уровня активной щелочности.

Показателем щелочности, равно как и кислотности, служит водородный показатель рН. Показатель рН определяется как логарифм обратной величины концентрации ионов водорода. Поскольку моющим действием обладает только часть щелочных соединений, диссоциировавших на свободные ионы, то водородный показатель может служить критерием активности или моющей способности растворов. Для большинства соединений рН увеличивается с ростом их концентрации (рис. 6), однако для ряда соединений рН с ростом концентрации увеличивается незначительно или даже снижается.

При очистке поверхностей различных металлов во избежание их коррозии необходимо поддерживать определенный рН раствора. При очистке цинка и алюминия рН раствора должен составлять 9—Ю, олова—не выше 11, латуни—не выше 12,0— 12,5, а сталь допускает очистку при рН до 14. Практически легкие и цветные металлы обрабатывают при значительно больших значениях рН, например 11,5— 12,8. Такие растворы обязательно содержат в своем составе силикаты (метасили-кат натрия, жидкое стекло), предотвращающие коррозию алюминия, цинка, меди.

Степень загрязненности поверхности также влияет на выбор рН раствора. Детали с прочными загрязнениями, например асфальто. смолистыми отложениями, необходимо очищать при рН= 11,8ч-13,6. Для непрочных загрязнений, например масляных, очистку можно вести при рН = 10 ч—=-11,5.

В процессе очистки важно, чтобы моющий раствор постоянно имел оптимальное значение рН. Для обеспечения требуемого уровня рН необходимо использовать бинарные и тройные смеси различных соединений (рис. 7). Для растворов с низким рН его повышают добавлением активных щелочей, например едкого натра или метасиликата натрия. В результате реакций нейтрализации, омыления и реакций по умягчению жесткой воды, а также из-за уноса с очищенными деталями концентрация активных компонентов раствора, а с ними и щелочность и водородный показатель постоянно снижаются. Так как повысить начальную концентрацию раствора в качестве определенного резерва для постоянного расхода нельзя из-за возможной коррозии очищаемого металла, применяют так называемые буферные смеси, обладающие щелочным резервом. Способность раствора сохранять величину рН, близкую к начальной, при загрязнении раствора кислотными примесями называется буферной емкостью этого раствора. В качестве буферных смесей применяют кальцинированную соду, фосфаты и метасиликат натрия.

Рис. 4. Значения рН водных растворов щелочных соединений в зависимости от концентрации