Параметры растворимости Хансена были разработаны Чарльзом М. Хансеном в его докторской диссертации в 1967 году как способ прогнозирования того, растворится ли одно вещество в другом и образует ли раствор . Параметры основаны на принципе «подобное растворяется в подобном», согласно которому молекулы считаются сходными, если характер и интенсивность их межмолекулярных взаимодействий близки.

В частности, каждой молекуле присваиваются три параметра Хансена, каждый из которых обычно измеряется в МПа0.5:

- энергия, возникающая в результате дисперсионных сил между молекулами. - энергия, возникающая в результате дипольных межмолекулярных сил между молекулами. - энергия, возникающая в результате образования водородных связей между молекулами.

Эти три параметра можно рассматривать как координаты точки в трехмерном пространстве, также известном как пространство Хансена. Чем ближе две молекулы находятся в этом трехмерном пространстве, тем больше вероятность того, что они растворятся друг в друге. Чтобы определить, находятся ли параметры двух молекул (обычно растворителя и полимера) в пределах допустимого диапазона, используется значение, называемое радиусом взаимодействия (), которое присваивается растворяемому веществу. Это значение определяет радиус сферы в пространстве Хансена, а ее центр — это три параметра Хансена. Для вычисления между параметрами Хансена в пространстве Хансена используется следующая формула:

Сочетание с радиусом взаимодействия показывает относительную разницу энергий (RED) системы:

Если , то молекулы похожи и растворятся. Если , то система частично растворится Если , то система не растворится

Применение Исторически параметры растворимости Хансена использовались в таких отраслях, как производство красок и покрытий, где понимание и контроль взаимодействия растворителя с полимером имели важное значение. С годами их применение значительно расширилось и теперь включает такие области, как:

Растрескивание полимеров под воздействием окружающей среды Контролируемое диспергирование пигментов, таких как сажа. Изучение свойств растворимости/дисперсии углеродных нанотрубок и квантовых точек. Адгезия к полимерам Изучение проникновения растворителей и химических веществ через пластмассы для понимания таких вопросов, как безопасность перчаток, барьерные свойства пищевой упаковки и проникновение через кожу. Диффузия растворителей в полимеры на основе понимания поверхностной концентрации, определяемой по числу RED. Цитотоксичность посредством взаимодействия с ДНК. Более безопасные, дешевые и быстрые смеси растворителей, в которых нежелательный растворитель может быть рационально заменен смесью более желательных растворителей, суммарная эффективность растворителей которых равна эффективности растворителей исходного растворителя.

Теоретический контекст Параметры растворимости Хансена подвергались критике за отсутствие формального теоретического вывода параметров растворимости Хильдебранда. Все практические корреляции фазового равновесия включают определенные допущения, которые могут быть применимы или неприменимы к данной системе. В частности, все теории, основанные на параметрах растворимости, имеют фундаментальное ограничение: они применимы только к ассоциированным растворам (т.е. они могут предсказывать только положительные отклонения от закона Рауля ): они не могут учитывать отрицательные отклонения от закона Рауля, возникающие в результате таких эффектов, как сольватация (часто важная для водорастворимых полимеров) или образование электронно-донорно-акцепторных комплексов. Как и любая простая предсказательная теория, HSP лучше всего использовать для скрининга с данными, используемыми для проверки предсказаний. Параметры Хансена использовались для оценки параметров Хи Флори-Хаггинса, часто с достаточной точностью.

Было показано, что HSP можно рассчитать с помощью методов молекулярной динамики , хотя в настоящее время параметры полярных и водородных связей не могут быть надежно разделены таким образом, чтобы это соответствовало значениям Хансена.

Ограничения Согласно Хансену, существуют следующие ограничения:

Параметры могут меняться в зависимости от температуры. Приведенные параметры являются приблизительными. Связи между молекулами гораздо сложнее, чем предполагают эти три параметра. Форма молекулы имеет значение, как и другие типы связей, такие как индуцированный диполь, металлические и электростатические взаимодействия. Размер молекул также играет важную роль в том, растворятся ли две молекулы за определенный период времени. Эти параметры сложно измерить. Работа Эббота и Хансена 2008 года помогла решить некоторые из вышеупомянутых проблем. Можно рассчитать температурные вариации, прояснить роль молярного объема («кинетика против термодинамики»), появились новые хроматографические методы измерения параметров, доступны большие наборы данных для химических веществ и полимеров, доступно программное обеспечение «Sphere» для определения значений параметров для полимеров, чернил, квантовых точек и т. д. (или его легко реализовать в собственном программном обеспечении), а также в литературе доступен новый метод Стефаниса-Панайоту для оценки параметров по группам Unifac, который также автоматизирован в программном обеспечении. Иногда параметры растворимости Хильдебранда используются для аналогичных целей. Параметры Хильдебранда не подходят для использования за пределами их первоначальной области применения, которая включала неполярные растворители, не образующие водородных связей. Параметр Хильдебранда для таких неполярных растворителей обычно близок к параметру Хансена. Значение. Типичный пример, демонстрирующий бесполезность параметров Хильдебранда, заключается в том, что два растворителя, бутанол и нитроэтан, имеющие одинаковый параметр Хильдебранда, не способны растворять типичные эпоксидные полимеры. Тем не менее, смесь 50:50 обеспечивает хорошую растворяющую способность для эпоксидных смол. Это легко объяснить, зная параметр Хансена для двух растворителей и то, что параметр Хансена для смеси 50:50 близок к параметру Хансена для эпоксидных смол.

См. также

Растворитель Параметр растворимости Хильдебранда МОСЕД

Примечания

Категория:1967 год в науке Категория:Химия полимеров Категория:Физическая химия