Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей

05.06.2015

Физико-химически поверхностные явления характеризуются свободной поверхностной энергией на границе раздела фаз. На границе твердой и жидкой поверхностей поверхностная энергия может быть представлена обратимой работой адгезии
W1-2 = σ1 + σ2 - σ1-2,

где σi — значения поверхностного натяжения (индексы: 1 - для твердой поверхности; 2 - для жидкой поверхности; 1-2 - на границе твердой и жидкой поверхностей).
Так как значение поверхностного натяжения твердой поверхности (σi) не поддается прямым измерениям, используется уравнение Юнга
σ1-2 = σ1 - σ2 cos θ,

где θ - угол смачиваемости твердой фазы жидкостью.
Выражение
W1-2 = σ1(1 + cos θ)

дает возможность определить термодинамическое значение свободной поверхностной энергии на границе твердое тело-жидкость. На этой же границе смачиваемость зависит от свойств твердой фазы: так, поверхность металла обладает высокой свободной поверхностной энергией (до 5000 мН/м), а органические полимеры - менее 100 мН/м.
Для разделения несмешивающихся жидкостей с различным значением поверхностного натяжения (σ) необходимо иметь твердую фазу с минимальным значением свободной энергии, то есть такую, которой обладают органические полимеры (табл. 4.7).
Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей

На смачиваемость поверхности полимеров в значительной степени влияют процессы адсорбции, которым сопутствуют энергии взаимодействия на границе раздела фаз и в явлениях смачиваемости жидкостью твердого тела. По мнению П.А. Ребиндера, разность полярностей на границе раздела фаз является главной причиной адсорбционных взаимодействий, а работа адсорбции Wа связана с межфазным натяжением уравнением
Wa = А + σ1-2S,

где А — константа, характеризующая адсорбционный процесс (при этом lgA = Kf(σ1-2), где К - константа, характерная для данного адсорбируемого вещества); S - площадь поверхности, занимаемая одним г-молем адсорбируемого вещества.
Работа адсорбции по Ленгмюру оценивается выражением
Wa = RT ln (Г/δС),

где δ - толщина адсорбционного слоя.
Адсорбция на поверхности полимеров главным образом зависит от их полярности и поверхностного натяжения на границе раздела фаз σ1-2. С повышением полярности полимера она уменьшается, а для неполярных полимеров (фторпласты) эта величина имеет максимальное значение и зависит от степени вклада недисперсионных взаимодействий на границе раздела фаз - χn:
σ1-2 = Kf(χn),

которая связана со степенью вклада дисперсионных сил χд выражением χn = 1-χд. Установление известных значений поверхностной энергии ряда полимеров и жидкостей на границах фторполимер-газ и фторполимер-жидкость позволило произвести выбор систем для отделения свободной воды от неполярной жидкости (керосин).
При сопоставлении смачиваемости водой различных по химическому составу полимеров (полиэтилена (—СН2—СН2)n и политетрафторэтилена(СF2—СF2)n) были установлены значения краевых углов смачивания 93 и 108 соответственно, то есть смачиваемость полиэтилена водой выше, чем для политетрафторэтилена, а замещение в линейных молекулах полимера водорода па фтор резко уменьшает силы адгезии воды с поверхностью полимера.
Судя по данным табл. 4.8, в которой приведены значения поверхностного натяжения некоторых фторсодержащих полимеров, наименьшим значением поверхностного натяжения характеризуются нерфторированные полимеры и особенно соединения с боковыми ответвлениями типа СF3, С6F12.
Таким образом, одним из путей получения твердых поверхностей с наименьшим значением свободной поверхностной энергии является применение покрытий на основе перфторированных полимеров, в частности, из сополимеров тетрафторэтилена с перфтормономерами и политетрафторэтилена.
Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей

При прохождении топлива через сетки с фторполимерными покрытиями к их недостаткам относится электризуемость за счет образования статического электричества, что может вызвать электрический разряд с последующими негативными последствиями для углеводородного топлива.
Добавление токопроводящего наполнителя в композиции для покрытий позволяет значительно снизить электризуемость поверхности фторполимеров. Известна композиция водной суспензии на основе высокодисперсного углерода.
При анализе опубликованных сведений о смачиваемости твердых поверхностей жидкостями различной природы становится ясно, что фторполимеры создают наиболее низкоэнергетические твёрдые поверхности. Разделение несмешивающихся жидкостей, которые чаще всего являются смесью полярной (типа воды) и неполярной (керосин, бензин, гексан), особенно хорошо можно производить на проницаемых для неполярных и не смачиваемых водой перегородках. Таким образом, проведение исследований, направленных на повышение степени водоотделения при очистке топлив на высоких скоростях потока фильтруемой жидкости, является весьма актуальным в настоящее время и особенно это касается коагуляции дисперсно-распределенных капель воды и сепарации их от основной массы топлива. В данной области имеется широкое поле для исследований и конструирования фильтров-водоотделителей.
При оценке уровня техники для водоотделения видно, что имеющиеся системы фильтрации, коагуляции и сепарации топлив от воды могут быть усовершенствованы на основе правильного выбора материалов и технологий изготовления соответствующих перегородок. Наиболее удачным оказалось применение фторполимеров для обеспечения максимальной разницы в смачиваемости их поверхности различными жидкостями. Целью проводимых исследований являлось изучение процессов взаимодействия на границе раздела фаз фторполимер-жидкость и выбор наиболее оптимальных вариантов подготовки поверхности элементов для водоотделения, разработка конструкций сепарирующих картриджей, коагулирующих перегородок и собственно фильтров-водоотделителей.
Создание технологии производства сепарирующих элементов и фильтров водоотделителей потребовало выбора необходимых материалов и создания процесса нанесения покрытий. Основной идеей при разработке сепарирующего элемента является выбор таких материалов, которые обеспечивали бы максимальную разницу при смачивании поверхности пористой перегородки разделяемыми жидкостями. С учетом того, что наибольшую разницу в смачиваемости водой и углеводородами имеют фторполимеры, для установления оптимальных вариантов покрытий были выбраны перфторполимеры на основе политетрафторэтилена (ПТФЕ) и сополимера тетрафторэтилена с другими перфтормономерами.
Поскольку способы переработки полимерных материалов влияют на поверхностные свойства пограничного слоя (за счет различной кристалличности или профиля поверхности), исследования проводились на двух типах поверхности: на пленках и покрытиях, полученных из суспензии таких же но составу фторполимеров. Для образцов с покрытием применялись водные суспензии политетрафторэтилена (Ф-4Д) и сополимера тетрафторэтилепа с гексафторпропиленом (Ф-4МД). Определение поверхностных характеристик осуществлялось по краевому углу смачивания.
Полученные данные зависимости показателя смачиваемости фторполимерного покрытия водой от содержания сополимера с гексафторпропиленом в сплаве с политетрафторэтиленом представлены в табл. 4.9 и на рис. 4.10.
Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей

По результатам исследования установлено, что для обеспечения минимальной смачиваемости достаточно введения 3—4 % массовой доли СП (ТФЕ-ГФП).
В последующем исследования проводились на образцах покрытий, приготовленных из смеси суспензий Ф-4Д и Ф-4МД в соотношении 90:10 по массе. При этом учитывается, что в СП (ТФЕ-ГФП) содержится 14-15 % мас. гексафторпропилена. Для экструзионных пленок значение краевого угла смачиваемости меньше, чем для образцов с покрытием из суспензий. При различии в структуре поверхности и ее кристаллизации сохраняется общая тенденция по зависимости краевого угла смачивания от наличия в боковой цепи полимера групп СF3 и C3F5. Таким образом, смачиваемость фторполимеров водой уменьшается, и имеется зависимость смачиваемости водой поверхности от характера боковых групп сополимеров.
Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей

При исследовании смачиваемости фторполимеров изучалось влияние боковых перфторпрованных групп на свободную энергию в приграничном слое: на примере ПТФЕ и сополимеров тетрафторэтилепа с гексафторпропиленом СП (ТФЕ-ГФП) и с перфторалкиловыми эфирами СП (ТФЕ-ПФА).
Кроме того, исследовано поверхностное взаимодействие фторполимеров с жидкостями, характеризующимися различным поверхностным натяжением, что обусловлено возможностями водоотделения из смесевых систем, к которым относятся топлива для реактивных двигателей, поскольку в их составах могут присутствовать противокристаллизационная жидкость, содержащая метанол, этилцеллозоль и другие добавки.
Результаты измерений смачиваемости этими жидкостями поверхности ПТФЕ, СП (ТФЕ-ГФП) и их смесей приведены в табл. 4.10. На основании полученных результатов были рассчитаны величины работы адгезии на границе раздела фаз фторполимер-жидкость. Для расчета использовалось уравнение Дюнре, согласно которому работа адгезии может быть выражена посредством поверхностного натяжения жидкости на границе жидкость-газ (σ2) и показателя смачиваемости твердой поверхности — cosθ.
Полученные значения сравнивались с величинами поверхностного натяжения на границе твердое (ФП)-жидкость, которые вычислялись по уравнению Юнга.
Общая тенденция снижения сил взаимодействия наблюдается по мере уменьшения σ2, как на поверхности политетрафторэтилена, так и для сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом. Результаты расчётов приведены в табл. 4.11.
Необходимо отметить, что по мере приближения значений поверхностного натяжения жидкостей (ж-г) к критическому значению свободной поверхностной энергии фторполимер на границе (т-г), поверхностное натяжение фторполимер-жидкость (т-ж) стремится к минимальной величине.
Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкостей