Związki powierzchniowo-czynnych posiadają różnorodne właściwości wynikające z ich budowy chemiczne.
Można je podzielić na:
|
|
|
Związki powierzchniowo czynne z uwagi na swoją hydrofobowo-hydrofilową budowę rozpuszczają się w wielu rozpuszczalnikach.
Rozpuszczalność związków jonowych w wodzie jest związana z dysocjacją i tworzeniem jonów, natomiast mechanizm rozpuszczania związków niejonowych wynika z tworzenia się wiązań wodorowych między cząsteczkami wody a tlenem eterowym w grupie oksyalkilenowej. Im więcej jest grup eterowych w cząsteczce związku powierzchniowo czynnego tym wzrasta jego charakter hydrofilowy, a zatem i rozpuszczalność w wodzie. Rozpuszczalność ta jest zależna o temperatury. Im wyższa temperatura tym rozpuszczalność maleje i objawia się to zmętnieniem roztworu.
Temperatura powyżej, w której wodne roztwory związków niejonowych stają się niejednorodne w wyniku rozdzielania się na dwie fazy zwana jest temperaturą zmętnienia.
Temperatura, w której wodne roztwory związków niejonowych stają się jednorodne podczas chłodzenia zwana jest temperaturą klarowania. Jest ona często określana jako punkt zmętnienia „cloud piont”.
Do określenia puntu zmętnienia niejonowych związków powierzchniowo czynnych służy polska norma PN-EN 1890:2000 - Środki powierzchniowo czynne - Oznaczanie punktu zmętnienia niejonowych środków powierzchniowo czynnych otrzymanych przez kondensację z tlenkiem etylenu.
Obecność większości soli nieorganicznych w wodzie obniża punkt zmętnienia związków powierzchniowo czynnych. Można temu zapobiec dodają do kompozycji specyficzne grupy związków tzw. hydrotropów.
Napięcie powierzchniowe dotyczy sił działających na powierzchni międzyfazowej: ciecz-gaz, ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe. Czysta woda wykazuje wysokie napięcie powierzchniowe wskutek wzajemnego przyciągania się cząsteczek, dlatego kropla wody dąży do przyjęcia kształtu kuli. Dodanie związków powierzchniowo czynnych do wody powoduje obniżenie tego napięcia wskutek utworzenia specyficznej warstwy cząsteczek surfaktanta na granicy faz ciecz-gaz.
Do oznaczenia napięcia powierzchniowego związków powierzchniowo czynnych stosuje się normę: PN-C-04809:1990 - Środki powierzchniowo czynne - Oznaczanie napięcia powierzchniowego (Vs) i napięcia międzyfazowego (Vi).
Surfaktanty samorzutnie gromadzą się na powierzchni cieczy, a dokładnie na jej styku z inną fazą, w ten sposób, że ich część hydrofobowa – nie lubiąca wody znajduje się poza jej objętością, a grupa hydrofilowa kieruje się do wnętrza tej cieczy. Przy dodawaniu kolejnych porcji surfaktantu oprócz zajmowania przestrzeni międzyfazowej zaczyna on penetrować wnętrze cieczy. Dalsze dodawanie surfaktanta nie powoduje już obniżenia napięcia powierzchniowego. Wówczas zaczynają tworzyć się złożone struktury, takie jak micele.
Najniższe (tzw. krytyczne) stężenie surfaktanta, w którym osiągane jest najniższe napięcie powierzchniowe i pomimo dodatku kolejnych porcji surfaktantu napięcie nie zmniejsza się nazywa się Krytycznym Stężeniem Micelizacji czyli CMC.
.png)
Wskaźnik HLB (Hydrophile Lipophile Balance) to inaczej równowaga hydrofilowo – hydrofobowa (lipofilowa) jest miarą stosunku między częścią hydrofilową cząsteczki a jej częścią hydrofobową. Wskaźnik mieści się w umownej skali liczbowej od 0 do 20. Im niższa wartość HLB związku powierzchniowo czynnego (< 10), tym lepsza jest jego rozpuszczalność w olejach i związkach hydrofobowych. Im wyższa wartość HLB (> 10), tym związek bardziej hydrofilowy i jego rozpuszczalność w wodzie rośnie, a maleje rozpuszczalność w olejach. Wartość 10 oznacza, że związek posiada w połowie cechy hydrofobowe, a w połowie hydrofilowe.
Znajomość wartości HLB związków powierzchniowo czynnych jest bardzo pomocna przy formułowaniu składu emulgatorów do przyrządzania emulsji typu olej/woda.
.png)
Pianą nazywany jest układ dyspersyjny powietrza (lub innego gazu) w cieczy. Czyste ciecze nie powodują procesów spieniania. Następuje on wtedy, gdy do cieczy zawierającej odpowiedni surfaktant zostanie wprowadzone powietrze lub inny gaz.
Zdolność produktu do wytwarzania piany określa się jako zdolność pianotwórczą. Miarą zdolności pianotwórczych jest objętość piany wytworzonej w określonych warunkach.
Oznaczanie zdolności pianotwórczych wykonuje się wg normy PN-ISO 696 - Środki powierzchniowo czynne - Oznaczanie zdolności pianotwórczych zmodyfikowaną metodą Ross-Miles'a oraz wg normy PN-EN 12728 - Środki powierzchniowo czynne - Oznaczanie zdolności pianotwórczych - Metoda wytwarzania piany perforowanym krążkiem.
W procesie powstawania piany w roztworze zawierającym dany surfaktant następuje porządkowanie cząsteczek surfaktantu na powierzchni roztworu. Przy dużych stężeniach roztworów surfaktantu w roztworze jego cząsteczki ustawiają się prostopadle do granicy faz powietrze-woda. W ten sposób głowy polarne cząsteczki surfaktantu skierowane są do roztworu wodnego, natomiast części hydrofobowe w stronę powietrza, czyli fazy mniej polarnej.
Piana powstaje wówczas, gdy do roztworu surfaktantu zostanie wtłoczony gaz, np. powietrze. Powietrze ze względu na mniejszą gęstość od cieczy próbując wydostać się z cieczy powoduje, że cząsteczki surfaktantów tworzą cienkie warstewki na granicy fazy ciecz-powietrze, widziane w postaci baniek lub pęcherzyków. Bańka powietrza przesuwa się w cieczy ku górze, a w momencie, gdy przebija jej powierzchnię porywa część cieczy z warstewką surfaktantu.
.png)
Zdolność do tworzenia pian związków powierzchniowo czynnych w wodnych roztworach zależy od: budowy chemicznej surfaktantu i jego stężenia, wartości pH tego roztworu oraz twardości wody i obecności innych składników roztworu. Związki anionowe powierzchniowo czynne posiadają wyższe zdolności pianotwórcze i zdecydowanie wyższe wskaźniki trwałości piany niż niejonowe. Największą zdolnością pianotwórczą wykazują związki, które w swojej cząsteczce zawierają łańcuch alkilowy o długości 12-15 atomów węgla oraz łańcuchy polioksyetylenowe, które posiadają od 10 do 12 grup oksyetylenowych na cząsteczkę surfaktantu. Brak dobrych właściwości pianotwórczych wykazują surfaktanty z łańcuchem alkilowym poniżej 10 i powyżej 16 atomów węgla.
W zależności od rodzaju surfaktantu na ich zdolność pianotwórczą może wpływać wartość pH roztworu wodnego. W przypadku niejonowych surfaktantów zakres pH ich wodnych roztworów znajdujący się pomiędzy 3 a 9 nie stanowi ograniczeń do ich zastosowania jako substancji pianotwórczych, w przeciwieństwie do związków jonowych. Dla surfaktantów jonowych zdolność pianotwórcza wykazuje maksimum w rejonie pH 7 i 10 w zależności od wartości HLB i CMC.
Surfaktanty charakteryzujące się wartościami HLB z przedziału 1,5 - 3 są stosowane jako środki antypieniące.
Wysoka twardość wody w przypadku jonowych surfaktantów obniża zdolność pianotwórczą tych związków.
Jako antystatyki można stosować zarówno surfaktanty anionowe, kationowe jak i niejonowe. Substancje te znalazły zastosowanie jako tzw. antystatyki zewnętrzne, które zapobiegają gromadzeniu się ładunków elektrycznych na powierzchni. Zmniejszenie rezystancji powierzchniowej nie tylko poprawia jakość towarów np. zapobiegając zbrylaniu tworzyw sztucznych, ale zapobiega iskrzeniu kontaktujących się ze sobą materiałów, co w wielu przypadkach w znaczący sposób zmniejsza zagrożenie pożarowe i wybuchowe.
Związkami powierzchniowo czynnymi o zdolnościach zmiękczających jest grupa związków kationowych.
Dobór skutecznego surfaktanta o właściwościach zmiękczających zależy od jego budowy. Najczęściej używa się surfaktant o dwóch długich łańcuchach hydrofobowych połączalnych z grupą amoniową. Głównie wymagania, które powinien spełniać to: łatwość tworzenia dyspersji w roztworach wodnych, dobą zdolność do łączenia się z tkaninami, zdolność nadawania miękkości i puszystości włókien bez wywoływania wrażenia śliskości oraz korzystną cechą jest wywoływanie efektu antyelektrostatycznego na powierzchniach pranych tkanin.
Działanie polega adsorpcji kationowych surfaktantów na włóknach tkaniny i uporządkowaniu w taki sposób, że przy ujemnie naładowanym ładunku powierzchniowym taniny ich głowy polarne wiążą się siłami oddziaływań elektrostatycznych z włóknami, a długie łańcuchy hydrofobowe ustawiają się prostopadle do powierzchni tkaniny, tworząc w ten sposób warstewkę izolacyjną nadająca tkaninie cechy miękkości.
Najlepsze właściwości przeciwzbrylajace posiadają kationowe surfaktanty, które wykazują tendencje do ulegania adsorpcji na ujemnie naładowanych powierzchniach ciał stałych. Znajdują one zastosowanie do produkcji nawozów sztucznych.
Podstawowym składnikiem czynnym wszystkich środków piorących są surfaktanty. Właściwościowi piorące głównie zależą od budowy chemicznej i ilości użytych surfaktantów a także od rodzaju tkaniny poddawanej praniu, rodzaju zabrudzeń i warunków prania (np. twardość sody, stężenie i temperatura kąpieli piorącej, czas trwania i sposób prania).
Mechanizm usuwania zabrudzeń, które są o charakterze hydrofobowym, polega zmniejszeniu napięcie powierzchniowe wody przez dodanie surfaktanta, dzięki czemu brud może się w niej rozpuścić. Ta funkcja środków powierzchniowo czynnych wynika z ich budowy. Posiadają one długi niepolarny ogon przechwytujący cząsteczki brudu, oraz polarne głowy łączące się z cząsteczkami wody. Cząsteczki surfaktanta otaczają cząsteczki zabrudzeń, odrywają go od powierzchni i otaczają ze wszystkich stron, dzięki czemu cząsteczki brudu stają się rozpuszczalnymi w wodzie. Brud zostaje zamknięty w micele. Zamknięcie brudu w micelach utrudnia ponowne jego spotkanie z oczyszczoną powierzchnią.
.png)
Emulsją nazywamy układ dyspersyjny złożony z dwu cieczy niemieszających się ze sobą, z których jedna jest rozproszona w drugiej w postaci kropel o wymiarach 0,001 – 0,05 mm. Jedna z cieczy jest niepolarna, np. benzen, olej, druga polarna, np. woda.
Faza rozpraszająca nazywana jest inaczej fazą zewnętrzną, bądź też ośrodkiem dyspersyjnym. Z kolei faza rozproszona (zdyspergowana) to faza wewnętrzna.
Podział emulsji:
a) proste
- jeżeli fazą rozpraszającą jest ciecz polarna np. woda, a fazą rozproszoną w postaci kropel jest ciecz niepolarna np. olej, to jest to emulsja O/W (olej w wodzie).
- jeżeli fazą rozpraszającą jest ciecz niepolarna np. olej, a fazą rozproszoną w postaci kropel jest ciecz polarna np. woda, to jest to emulsja W/O (woda w oleju).
.png)
b) złożone
- podwójne - O/W/O lub W/O/W,
- wielokrotne - poszczególne fazy emulsji są w sobie nawzajem pozamykane (np. w/o/w/o),
- dwuemulsje - kropelki wewnętrznej fazy olejowej zawierają oleje różnego typu.
.png)
.png)
Metody otrzymywania emulsji:
1) mechaniczne wstrząsanie cieczy niemieszających się (w odpowiednich wytrząsarkach, bądź wymieszanie przy użyciu szybko obracających się mieszadeł);
2) stosowanie ultradźwięków - dwie niemieszające się ze sobą ciecze umieszcza się w polu ultradźwiękowym o oscylacji kilkuset tysięcy drgań na sekundę; pod wpływem oscylacji następuje emulgowanie z wytworzeniem nawet bardzo stężonych emulsji.
Obecnie najczęściej stosowane są metody mechaniczne – przy czym podczas dyspergowania dodaje się substancji zwanej emulgatorem. Cząsteczki emulgatora gromadząc się bowiem na granicy faz, stabilizują układ. Dzięki emulgatorowi cząstki fazy rozproszonej są od siebie oddzielone, co zapobiega ich łączeniu się.
Rodzaje emulgatorów:
1) Emulgatory naturalne (rzekome):
a) związki wielkocząsteczkowe (emulgatory koloidalne – polisacharydy takie, jak skrobia, agar, guma arabska) – pęczniejąc w wodzie, zwiększają lepkość roztworu (przy większej lepkości cząsteczki zemulgowane mają utrudnioną możliwość poruszania się, dzięki czemu spada prawdopodobieństwo ich stykania się i zlewania),
b) pyły nierozpuszczalnych ciał stałych (np. krzemionka, tlenek glinu) - mechanicznie utrudniają łączenie się cząstek fazy zdyspergowanej.
2) Tenzydy (surfaktanty)
- są związkami powierzchniowo czynnymi. Wykazują one charakter amfifilowy, co oznacza, że składają się z części hydrofilowej (wykazującej powinowactwo do związków o budowie polarnej) i hydrofobowej (charakteryzującej się powinowactwem do związków niepolarnych). Dzięki temu w emulsji cząsteczki emulgatora ustawiają się na granicy faz (skierowując się częścią hydrofilową do fazy wodnej, zaś hydrofobową - do fazy olejowej) i powodują zmniejszenie napięcia międzyfazowego. Gdy napięcie międzyfazowe pomiędzy składnikami emulsji jest bardzo małe,możliwy staje się samorzutny proces emulgowania pod wpływem ruchu cieplnego cząsteczek,w wyniku czego powstają emulsje trwałe termodynamicznie.
.png)
Typ powstającej emulsji jest w dużym stopniu uzależniony od rodzaju użytego emulgatora, jak również od wartości HLB.
Skala HLB umożliwia klasyfikację emulgatorów wg ich zdolności do tworzenia danego typu emulsji:
Zastosowanie mieszaniny dwóch lub kilku emulgatorów w odpowiednich proporcjach, pozwala uzyskać emulsje trwalsze niż przy użyciu tylko jednego emulgatora.
Cechy dobrego emulgatora:
Spośród licznych grup surfaktantów szczególnie dużą aktywność biologiczną wykazują surfaktanty kationowe. Szczególne właściwości tej grupy obejmują aktywność biostatyczną i biobójczą.
Aktywność biostatyczna jest to zdolność do hamowania rozwoju mikroorganizmów. Aktywność biostatyczną wodnych roztworów surfaktantów kationowych wyraża się zwykle, podając ich aktywność w stosunku do bakterii, drożdży i grzybów. Miarą aktywności biostatycznej surfaktanta jest minimalne stężenie hamujące (MIC). Określa ono minimalne stężenie surfaktanta, przy którym dalszy wzrost mikroorganizmu zostaje wstrzymany. Wartości liczbowe podaje się w częściach na milion (ppm) substancji aktywnej.
Aktywność biobójcza danego surfaktanta określa się jakościowo jako zdolność tego produktu do zniszczenia możliwości rozwoju drobnoustrojów takich jak: bakterie, drożdże, pleśnie, grzyby czy algi. Ilościową miarą aktywności biobójczej (przeciwdrobnoustrojowej) surfaktantów jest najczęściej wartość liczbowa współczynnika MBC określającego wartość najniższego stężenia substancji aktywnej badanego preparatu handlowego, przy którym dla testowanego mikroorganizmu uzyskuje się pozytywny wynik testu.
LUBRINA
al. Piłsudskiego 141, 92-318 Łódź
telefony: +48 42 676 77 99, +48 42 676 77 90
fax: +48 42 676 77 90; e-mail: biuro@lubrina.pl