Гидрофобизация. теория и практика

Химический фон

Гидрофобное взаимодействие в основном представляет собой энтропийный эффект, возникающий из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, образующим клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Эта образованная структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды из-за того, что молекулы воды выстраиваются так, чтобы максимально взаимодействовать друг с другом, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, чтобы уменьшить открытую площадь поверхности. поливать и уменьшать энтропию системы. Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная или гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая межфазная площадь будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом разделением фаз .

Что такое гидрофобный бетон

Устойчивый к воздействию влаги бетон представляет собой особый вид строительного материала с загерметизированными порами и капиллярными каналами. Отсутствие полостей, способствующих проникновению вглубь массива влаги, повышает влагостойкость бетона. На лексиконе профессиональных строителей, материал, обработанный специальными пропитками (гидрофобизаторами), называется гидрофобным.

Бетон (даже непористой структуры) всегда имеет небольшое количество микроскопических пор и трещин

Он характеризуется:

• увеличенным удельным весом;
• повышенной стойкостью к поверхностному воздействию влаги;
• устойчивостью к проникновению грунтовых вод и осадков вглубь массива.

Согласно требованиям государственного стандарта, различные виды бетона по способности противостоять проникновению влаги делятся на классы. Нормативный документ предусматривает классификацию бетона буквенно-цифровым индексом, включающим заглавную латинскую букву W и четную цифру от двух до двадцати. Цифровой показатель характеризует давление водяного столба, которое способен воспринимать бетонный массив.

Как внешне выглядит гидрофобный бетон

С увеличением цифрового значения возрастают гидрофобные свойства, что сказывается на стоимости материала. Водостойкость бетона определяет область использования материала:

• в частном домостроении применяется стройматериал с маркировкой W4, W6. Наиболее популярен бетон с маркировкой W6. Он используется, когда осуществляется строительство домов, бани, сауны и бассейна;
• материал с уровнем влагостойкости W8 обладает высокой водопроницаемостью, однако требует дополнительной гидроизоляционной защиты. Он широко применяется при бетонировании фундаментных оснований;
• близкое расположение водоносных слоев требует применения составов с повышенным уровнем влагостойкости W10–W12. Они используются также для фасадного оштукатуривания стен зданий;
• бетонные растворы марки W14–W20 самые дорогие. Они отличаются повышенной водонепроницаемостью, используются для постройки объектов гидротехнического назначения.

Гидрофобные пропитки

На строительном рынке имеется широчайший ассортимент водоотталкивающих пропиток. Влагопоглощающие материалы подразделяются на два типа:

• узконаправленные;
• многофункциональные.

К первому типу относятся влагопоглощающие материалы, которые надежно защищают поверхность дерева от влаги, и сохраняются целостность древесины. Данное гидрофобное средство является самостоятельным материалом. Его можно также внедрять в специально предназначенные биогрунтовки. Перед нанесением узконаправленного средства необходимо предварительно поверхность древесины подготовить, а именно высушить. После просушки можно приступать к покраске.

Ко второму типу относятся влагопоглощающие материалы, которые имеют дополнительные функции. Данный тип сможет сохранить ваши денежные средства и время. Рассмотрим разновидности многофункциональных пропиток:

• Пропитки (влагопоглощающие материалы), которые имеют тонирующие характеристики. В составе данного материала имеются специальные пигменты цвета. Благодаря такой пропитке, провести обработку древесины можно за короткий промежуток времени. Также обрабатываемый материал приобретет более привлекательный и эстетичный внешний вид. Окрас древесины приобретает особенную насыщенность. Данные гидрофобизаторы используют для внутренних комнат помещения.
• Пропитки (влагопоглощающие материалы), которые имеют усиленную защиту. Внутри данного гидрофобизатора содержатся вещества, которые являются активными. Пропитка создает препятствие для развития плесени или грибка. Данный материал, наоборот, предназначается для внешних монтажных работ. Также раствор имеет бесцветную структуру.
• Гидрофобизаторы, которые имеют отличную защиту от огня. Данный вид пропитки не только защищает поверхность от влаги, а также от воздействия высоких температур. Данный гидрофобный материал придает обрабатываемому материалу огнеупорные характеристики. Огнеупорную, водостойкую пропитку необходимо заменять каждые пять лет. В составе огнеупорного гидрофобизатора находятся вещества, которые являются экологически чистыми и не несут какого-либо вреда для организма человека.

Перед покупкой гидрофобизатора соблюдайте следующие нюансы:

• определите цель, для которой будет использоваться раствор;
• необходимо ознакомиться с характеристиками материала;
• понять должен ли гидрофобизатор обладать тонирующими качествами.

Помните, на один квадратный метр тратить 400 миллилитров пропитки. Также может использоваться гидропароизоляционная пленка. На поверхность также может наноситься водоотталкивающая краска. Гидрофобное покрытие своими руками можно сделать в домашних условиях. Для вашего помещения вода не будет страшна!

Что такое гидрофобный бетон

Устойчивый к воздействию влаги бетон представляет собой особый вид строительного материала с загерметизированными порами и капиллярными каналами. Отсутствие полостей, способствующих проникновению вглубь массива влаги, повышает влагостойкость бетона. На лексиконе профессиональных строителей, материал, обработанный специальными пропитками (гидрофобизаторами), называется гидрофобным.

Бетон (даже непористой структуры) всегда имеет небольшое количество микроскопических пор и трещин

Он характеризуется:

• увеличенным удельным весом;
• повышенной стойкостью к поверхностному воздействию влаги;
• устойчивостью к проникновению грунтовых вод и осадков вглубь массива.

Согласно требованиям государственного стандарта, различные виды бетона по способности противостоять проникновению влаги делятся на классы. Нормативный документ предусматривает классификацию бетона буквенно-цифровым индексом, включающим заглавную латинскую букву W и четную цифру от двух до двадцати. Цифровой показатель характеризует давление водяного столба, которое способен воспринимать бетонный массив.

Как внешне выглядит гидрофобный бетон

С увеличением цифрового значения возрастают гидрофобные свойства, что сказывается на стоимости материала. Водостойкость бетона определяет область использования материала:

• в частном домостроении применяется стройматериал с маркировкой W4, W6. Наиболее популярен бетон с маркировкой W6. Он используется, когда осуществляется строительство домов, бани, сауны и бассейна;
• материал с уровнем влагостойкости W8 обладает высокой водопроницаемостью, однако требует дополнительной гидроизоляционной защиты. Он широко применяется при бетонировании фундаментных оснований;
• близкое расположение водоносных слоев требует применения составов с повышенным уровнем влагостойкости W10–W12. Они используются также для фасадного оштукатуривания стен зданий;
• бетонные растворы марки W14–W20 самые дорогие. Они отличаются повышенной водонепроницаемостью, используются для постройки объектов гидротехнического назначения.

Гидрофобизаторы – определение

Всего существует два вида гидрофобизаторов:

• Первый тип – это порошок. Порошок добавляется в смесь бетона, когда он еще изготавливается.
• Второй тип – это жидкая пропитка (водоотталкивающая жидкость или гидрофобизирующая жидкость). С помощью данного водоотталкивающего материала необходимо обрабатывать поверхность здания. В основании жидкой пропитки находятся полимерные соединения. Либо в основании может находиться органические смолы. Благодаря такому составу на поверхности не появляются пленка. Рассмотрим данный гидрофобизатор подробнее.

Гидрофобная жидкость проникает в глубину материала на определенное количество миллиметров. После этого часть данного гидрофобизатора, которая остается на поверхности кирпича или бетона, начинает через какое-то время испаряться, а затем полностью испаряется. После того, как раствор полностью испарился, в конце образуется слой защиты.

Благодаря пропитке повышается способность поверхности удерживать тепло. Также повышается эксплуатационный срок материала. Происходит обеспечение защиты от условий внешней среды. Уровень водопоглощения снижается (понижается в 15 раз), благодаря этому уменьшается вероятность появления на поверхности грибков или плесени из-за сырости.

На один квадратный метр затрачивается пятьсот миллилитров пропитки. Гидрофобизатор должен иметь обновление каждые десять лет.

Достоинства и недостатки гидрофильного крема для рук

Все косметические продукты могут положительно повлиять на кожу, если соблюдать главное правило – использоваться они должны по назначению и в соответствии с инструкцией. Гидрофильный крем не стал исключением. Он дарит коже рук настоящую заботу, улучшает ее состояние и внешний вид.

Косметологи выделили ряд достоинств данного средства. К ним относятся следующие показатели:

1. Гидрофильные кремы не просто защищают кожу от вредного воздействия. Также они обладают определенным увлажняющим действием.
2. От пленки, появившейся после нанесения, нет дискомфортных ощущений. Она не липкая и не жирная, не мешает работать.
3. Продукт быстро впитывается в кожу. После него не остаются жирные следы на одежде.
4. Крем обладает приятной текстурой. Он одновременно не слишком жидкий и не слишком плотный. Средство не будет растекаться по рукам, при этом оно легко распределяется по кожному покрову.

Однако, несмотря на все преимущества, совсем без недостатков не обошлось. Многие женщины, использующие гидрофильные кремы, отмечают, что аромат у них не особенно приятный. Сразу и не скажешь, что это косметика. Запах напоминает техническое масло. Но достаточно быстро он выветривается с кожи. Поэтому использование средства практически не ограничено, причин для опасений нет.

Состав гидрофильного крема нельзя назвать натуральным. В нем почти не содержатся эфирные масла, парфюмерные отдушки, экстракты целебных растений. Применять косметический продукт необходимо исключительно по назначению. Это не крем на каждый день. Он полезен только для работы. По окончании вредной деятельности следует смыть гидрофильный продукт и нанести на кожу любое средство с питательным действием. Оно до конца восстановит эпидермис.

Гидрофобный эффект с точки зрения статистической физики

Итак, зная Второй закон, мы понимаем, почему чашка чая на столе обязательно остынет до комнатной температуры, но никогда сама по себе не нагреется вновь, отобрав тепло у воздуха в кухне. (Если нет — то надо обязательно прочитать книгу Эткинса .) Но применимы ли те же самые рассуждения для объяснения, например, несмешиваемости воды и масла? Ведь Второй закон стремится «все уровнять», а вода с маслом, наоборот, отказываются растворяться друг в друге (рис. 2а).

Рисунок 2. Иллюстрация гидрофобного эффекта. а — Гидрофобный эффект (а по сути, Второй закон термодинамики) заставляет воду «отталкивать» неполярные молекулы (такие как масло) и уменьшать площадь контакта с ними. Из-за этого много маленьких капелек масла в воде в конечном итоге обязательно сольются вместе и образуют слой. б — Образование упорядоченного («льдистого») слоя молекул воды вблизи гидрофобной поверхности необходимо, чтобы молекулы воды могли формировать водородные связи друг с другом. Но это приводит к падению энтропии, невыгодному в связи со Вторым законом. в — Естественная возможность увеличить энтропию — снизить площадь контакта гидрофобных молекул с водой, что и происходит при агрегации нескольких неполярных молекул между собой. В случае амфифильных молекул появляется самоорганизация и формирование довольно сложных надмолекулярных структур, таких как мицеллы, бислои и везикулы (см. рис. 3).

(б и в)

И впрямь, если рассматривать только масло, то покажется, что термодинамика не работает: растворение масляной пленки в толще жидкости явно увеличило бы энтропию по сравнению с монослоем. Но все знают, что на самом-то деле происходит все наоборот: даже если воду с маслом встряхнуть, эмульсия через какое-то время распадется, и масло опять образует пленку, покинув водную фазу.

Дело в том, что вода в этом примере — равноправный участник рассматриваемой системы, и ее ни в коем случае нельзя упускать из виду. Как известно, свойства воды (даже ее жидкое состояние в нормальных условиях) обусловлены способностью образовывать водородные связи. Каждая молекула воды может формировать до четырех связей с «соседками», но для этого вода должна находиться «в воде». В случае присутствия в воде неполярной поверхности, примыкающие к ней молекулы перестают чувствовать себя «свободно»: для того, чтобы сформировать желаемые водородные связи, этим молекулам приходится ориентироваться строго определенным образом, формируя «льдистую» оболочку (рис. 2б) вокруг гидрофобного объекта. Это вынужденное упорядочивание характерно существенным падением энтропии системы масло—вода, что и вынуждает гидрофобные молекулы агрегировать между собой, уменьшая площадь контакта с полярной средой, а значит, и невыгодное снижение энтропийного фактора . Фактически, это вода заставляет масло сливаться в одну большую каплю или пятно, реализуя диалектический принцип «подобное к подобному».

Сверхгидрофобность[править | править код]

Капля на поверхности лотоса.

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные 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-плёнка (англ.)русск.. Показано, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью (англ.)русск. и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём 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 и гидрофильность утрачивается.

Обработка деревянной поверхности гидрофобизатором

Дерево – это один из тех материалов, который обязательно используется при создании определенной конструкции, потому что можно легко проводить его обработку, а также дерево имеет отличные характеристики

Не важно, для чего вы собираетесь использовать деревянный материал, его необходимо заранее обработать при помощи гидрофобизатора

Влага отрицательно воздействует на поверхность дерева, тем самым, уменьшая эксплуатационный срок материала. На поверхности начнут появляться плесень, грибок, что пагубно отразится на общем состоянии дерева.

Во время приобретения гидрофобизатора необходимо обращать внимание на его водоотталкивающие характеристики

Описание видов

Гидрофобный препарат для тротуарной плитки может иметь разный состав. Его основа бывает водной, силиконовой, акриловой. Каждый тип средства имеет свои особенности и отличия. Зная их, проще подобрать вариант, необходимый для защиты конкретного участка в разных регионах страны.

Кроме того, к ней относится поштучная обработка фрагментов, подразумевающая погружение каждого модуля в специальный состав.

Если отдельные части обрабатывают путем погружения с последующей просушкой, приходится ждать, пока они полностью высохнут, Укладывать их, пока они влажные, недопустимо. Это снижает уровень защиты и является причиной разрушения защитного слоя.

Объемная гидрофобизация выполняется на этапе производства тротуарной плитки. Такой камень защищен не только внутри и снаружи. Есть и принудительная водозащита, она подразумевает введение гидрофобного препарата под давлением сквозь заранее высверленные в плитке отверстия.

Рассмотрим отличительные особенности гидрофобизаторов, которые используют на выложенной тротуарной плитке.

На водной основе

Такие гидрофобные средства изготавливают по методике растворения силиконовых жиров в воде. При проникновении в каменистую структуру плитки силиконовые жиры закрывают поры. Поэтому после обработки вода в них попасть не может. Продукты этой линейки выделяются низкой ценой, но и эффективность у них непродолжительная (всего 3-4 года).

Практика использования составов в нашей стране показывает, что число обработок тротуарной плитки для поддержания ее эксплуатационных и эстетических свойств составляет 1 раз в 2-3 года.

Спиртовые

По рабочим характеристикам данные средства напоминают водные аналоги. Эти гидрофобные составы более универсальны, они обладают улучшенной проникающей способностью. Ими можно пропитать участки тротуарного покрытия, расположенного на улице (садовые дорожки, площадки возле беседок и веранд, крыльцо, подъезды к гаражу). Однако летучие компоненты данных составов не позволяют использовать их внутри помещений.

Они создают особо прочное покрытие, применяются для покрытия силикатного кирпича, природного, искусственного камня. Отличаются антисептическими качествами. Используются реже аналогов на водной основе, предупреждают пыле- и грязеобразование.

Полимерные

Средства на полимерной основе признаны лучшими препаратами для обработки брусчатки, эксплуатируемой в условиях повышенных нагрузок. Их газопроницаемость не меньше водных аналогов. Они отличаются глубокой проникающей способностью. Эти материалы наносят на сухое основание, выбирая не слишком жаркие дни для работы.

Защищают ее от образования микротрещин и сколов, повышают износоустойчивость плитки. Их используют 1 раз в 10-15 лет, при этом кратность зависит от погодных условий и объема нагрузок на основание.

Сверхгидрофобность

Капля на поверхности лотоса.

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные 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-плёнка (англ.)русск.. Показано, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью (англ.)русск. и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём 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 и гидрофильность утрачивается.

Водопроницаемость

Когда материал пропускает воду под напором — это называется водопроницаемость. В зависимости от строения различают водонепроницаемость. Строение бывает очень плотное и с мелкими порами. И те, и другие материалы считаются водонепроницаемыми. Испытать на водонепроницаемость возможно только на специальном оборудовании.

Проверка проходит таким образом:

• положить образец в коническую металлическую форму;
• бока материала залить парафином;
• подать снизу воду под сильным напором;
• собрать в стакан все количество воды, которое пройдет через материал на другую сторону, и взвесить ее.

Для веществ, которые используют для перекрытий помещений (рубероид, черепица), влагонепроницаемость важнее всего.

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.

Суть работы

Разобравшись в том, какой эффект можно получить от действия антидождя на авто, стоит также разобраться в том, как работает гидрофобный состав.

Суть работы можно описать следующим образом. Когда капли дождя оказываются на обработанном гидрофобом стекле, они не начинают растекаться, а сохраняют наименьшую площадь контакта, после чего скатываются вниз или в стороны.

Если сравнивать с обычным стеклом, которое не прошло обработку средством, то здесь дождь сформировал бы слой из жидкости, что обусловлено большой площадью контакта. Антидождь сохраняет поверхность не просто чистой, но и практически сухой.

Пользуясь качественными средствами для автомобиля, они обеспечат создание минимального количество подтёков даже при сильных осадках. Автомобильные стёкла становятся несмачиваемыми, то есть они гидрофобные. Минимум подтёков позволяет улучшить обзор.

Чтобы увидеть максимальный эффект от антидождя, машина должна двигаться со скоростью не менее 40 километров в час. При такой скорости вода стекает не только под воздействием силы тяжести, но также и за счёт встречных потоков воздуха. Самая высокая результативность достигается на скорости от 60 километров в час и выше. Двигаясь ещё быстрее, дворники можно будет и не включать, поскольку влага не успевает задерживаться на стекле, и моментально удаляется.

Но всё это возможно только при условии, что автомобилист использует изначально качественные средства, а также соблюдает правила применения, предусмотренные изготовителем.

Амфифильность

А бывает ли так, что гидрофобные вещества могут одновременно иметь и гидрофильные свойства? Оказывается, да! Эту группу веществ называют дифильными, или амфифильными. Оказывается, одна и та же молекула может иметь в своей структуре как растворимые — полярные, так и водоотталкивающие — неполярные элементы. Такими свойствами, например, обладают некоторые белки, липиды, поверхностно-активные вещества, полимеры и пептиды. При взаимодействии с водой они образуют различные надмолекулярные структуры: монослои, липосомы, мицеллы, бислойные мембраны, везикулы и т. д. Полярные группы при этом оказываются ориентированными к жидкости.