Molekulare Struktur Merkmale von Tenside

Oberflächenspannung und oberflächenaktive Stoffe

Gelöste Stoffe, die in wässriger Lösung positiv adsorbieren, verringern die Oberflächenspannung des Wassers, während gelöste Stoffe, die negativ adsorbieren, die Oberflächenspannung des Wassers erhöhen.

Oberflächenaktive Stoffe (oberflächenaktive Stoffe): eine große Gruppe von Stoffen, die in wässriger Lösung eine positive Adsorption bewirken und damit die Oberflächenspannung von Wasser erheblich verringern können. Zum Beispiel Ethanol, Propionsäure, Natriumdodecylsulfat und so weiter.

Die Art dieser Stoffe, die Oberflächenspannung von Wasser zu verringern, wird als Oberflächenaktivität (Oberflächenaktivität) bezeichnet; dementsprechend kann keine positive Adsorption, die die Oberflächenspannung von Wasser nicht verringern kann, wird als nicht-oberflächenaktive Stoffe, wie anorganische Salze, Glukose und so weiter.

Tenside (Tenside): in der oberflächenaktiven Stoffe, gibt es eine Klasse von Stoffen in einer sehr niedrigen Konzentration kann die Oberflächenspannung von Wasser deutlich verringert, aber wenn die Konzentration auf einen bestimmten Wert erhöht, wird die Oberflächenspannung nicht mehr sinken oder sehr langsam zu verringern, Menschen nennen diese Klasse von oberflächenaktiven Stoffen Tenside (Tenside), wie Natriumdodecylsulfat, Dodecyltrimethylammoniumbromid und Nonylbromid. Tenside, wie Natriumdodecylsulfat, Dodecyltrimethylammoniumbromid und Nonylphenolpolyoxyethylen(9)ether und andere Stoffe.

Molekulare Struktur von Tensiden

Die ersten vom Menschen verwendeten Tenside waren Natrium- (oder Kalium-) Salze von Fettsäuren, die gemeinhin als Seifen bekannt sind.

Früher mischten die Menschen pflanzliche und tierische Fette und Grasasche zu einer wässrigen Lösung und erhitzten sie, um Seife herzustellen.

Später, mit dem Fortschritt der chemischen Industrie, wurde Natronlauge (NaOH) durch die alkalische Verseifung von Fetten und Ölen zur Herstellung von Seife verwendet.

In den 1920er und 1930er Jahren führte der Erste Weltkrieg zu einer Verknappung von Fetten und Ölen. Um Seifenersatzstoffe zu entwickeln, wurden in Deutschland synthetische Tenside entwickelt, wie z. B. Alkylbenzolsulfonate, Fettalkoholsulfate usw. Diese Tenside haben gemeinsame Moleküle.

Diese Tensidmoleküle haben eine gemeinsame Molekülstruktur, d. h. die Moleküle enthalten sowohl hydrophile als auch lipophile Gruppen, z. B. ist die hydrophile Gruppe in Seife -COONa, und in Natriumalkylbenzolsulfonat ist die hydrophile Gruppe -SO3Na, und die lipophilen Gruppen sind alle lange Alkylketten.

Heutzutage wird diese Art von Molekül als amphiphiles Molekül bezeichnet, bei dem die hydrophile Gruppe eine ionische, amphiphile Molekülstruktur ist, die den Streichhölzern sehr ähnlich ist, der Kugelteil ist eine hydrophile Gruppe, der Stielteil ist eine Alkylgruppe, eine lipophile Gruppe.
Wie in Abbildung 1 dargestellt

Abbildung 1 Schematische Darstellung des Kugel-Stab-Modells von Tensiden und ihrer gerichteten Anordnung an der Grenzfläche Wasser/Luft (Öl).

Die hydrophile Gruppe verleiht den Molekülen eine gewisse Wasserlöslichkeit.
Die lipophile Gruppe verleiht dieser Art von Molekülen eine gewisse Öllöslichkeit.

Wenn diese Moleküle mit Wasser in Berührung kommen, geht die hydrophile Gruppe des Moleküls eine starke Hydratation mit den Wassermolekülen ein und führt zur Auflösung, während die lipophile Gruppe des Moleküls aufgrund der mangelnden Affinität zu den Wassermolekülen eine starke Tendenz hat, aus der Wasserumgebung zu entkommen, und diese beiden diametral entgegengesetzten Effekte führen dazu, dass die Moleküle an der Wasser/Luft-Grenzfläche oder der Wasser/Öl-Grenzfläche angereichert werden, wobei sich die hydrophile Gruppe in der wässrigen Phase und die lipophile Gruppe in der Luftphase oder der Ölphase befindet. orientierte Anordnung, wie in Abb. 1 dargestellt.

Das kombinierte Ergebnis ist eine positive Adsorption des Tensids in wässriger Lösung, was zu einer deutlichen Verringerung der Oberflächenspannung von Wasser oder der Spannung an der Öl-Wasser-Grenzfläche führt.

Die molekulare Struktur der Tenside hat eines gemeinsam, ihr Molekül besteht aus zwei Teilen: ein Teil ist lösungsmittelfreudig, der andere Teil ist lösungsmittelfreudig.
Ein Teil ist lösungsmittelfreundlich, der andere Teil ist lösungsmittelfeindlich (hydrophob).

Da Tenside in der Regel in wässrigen Lösungen verwendet werden, werden oft die beiden Teile des Tensids hydrophile Gruppe (polarer Teil) und hydrophobe (hydrophobe) Gruppe (unpolarer Teil) genannt, hydrophobe Gruppe wird auch lipophile Gruppe genannt.
Wie in Abb. 2 (a) dargestellt.

Abbildung 2 Schematische Darstellung der Molekularstruktur von Tensiden (a)
Größe von CH3 (CH2)11SO4 (b)

Nehmen wir ein gängiges Tensid, Natriumdodecylsulfat [CH3(CH2)11SO4Na], als Beispiel.
In wässriger Lösung wird CH3(CH2)11 SO4Na zu CH3(CH2)11SO4 und Na+ ionisiert, wobei CH3(CH2)11SO4, das so genannte oberflächenaktive Ion, die Hauptrolle spielt.

Sie setzt sich aus der unpolaren CH3(CH2)11-, einer hydrophoben (lipophilen) Gruppe, und der polaren SO4, einer hydrophilen Gruppe, zusammen. Na+ hingegen wird als Gegenion bezeichnet; die Größenordnung von CH3(CH2)11SO4 ist in Abb. 2 (b) dargestellt.

Diese besondere Struktur von Tensiden wird als amphiphile Struktur bezeichnet (die hydrophile Gruppe ist hydrophil und die hydrophobe Gruppe ist lipophil). Tenside sind also eine Klasse von amphiphilen Verbindungen.

Die hydrophobe Gruppe eines Tensids besteht im Allgemeinen aus einer langkettigen Kohlenwasserstoffgruppe, die von einer Kohlenwasserstoffkette dominiert wird, während die hydrophile Gruppe (polare Gruppe, Kopfgruppe) eine Vielzahl von Gruppen aufweist, darunter geladene ionische Gruppen und ungeladene polare Gruppen.

 

Alle Moleküle oberflächenaktiver Stoffe haben eine amphiphile Molekularstruktur. In wässriger Lösung sollten die Hydrophilie der hydrophilen Gruppe und die Lipophilie der lipophilen Gruppe im Wesentlichen übereinstimmen, um eine signifikante Oberflächenaktivität zu erzielen; ist eine der beiden Seiten zu stark oder zu schwach, wird die Oberflächenaktivität der amphiphilen Moleküle erheblich geschwächt.

Wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome unter 8 liegt, ist die Hydrophilie zu stark, z. B. haben Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure eine amphiphile Struktur, haben aber nur eine Oberflächenaktivität und können keine Tenside sein.

Die hydrophobe Kette eines Tensids im allgemeinen Sinne sollte groß genug sein, im allgemeinen über 8 Kohlenstoffatome (es gibt keine strenge Grenze).

Liegt die Zahl der Kohlenstoffatome hingegen über 20, ist die Lipophilie zu stark, die Löslichkeit in Wasser sehr gering und es kann kein typisches Tensid sein. Bei Seife zum Beispiel werden Fettsäuren zu guten Tensiden, wenn ihre Kohlenstoffatome im Bereich von 8 bis 20 liegen.

 

Grundlegende Funktionen von Tensiden

Tenside sind funktionelle Feinchemikalien.

 

Es gibt zwei grundlegende Funktionen von Tensiden:

 

Die erste ist

 

Adsorption an der Oberfläche (Grenzfläche) unter Bildung eines Adsorptionsfilms (im Allgemeinen monomolekularer Film);.

 

Die zweite ist

 

Selbstpolymerisation in der Lösung, die viele Arten von molekular geordneten Anordnungen bildet.

 

Ausgehend von diesen beiden Funktionen kann eine Vielzahl von anderen

Anwendungsfunktionen.

 

Die Adsorption von Tensiden an der Oberfläche führt zu einer Verringerung der Oberflächenspannung und zu einer Veränderung der Oberflächenchemie des Systems.

 

So hat das Tensid die Funktionen schäumend, entschäumend, emulgierend, demulgierend, dispergierend, flockend, benetzend, spreitend, eindringend, schmierend, antistatisch und bakterizid.

 

Tenside polymerisieren sich in der Lösung selbst und bilden verschiedene Formen molekular geordneter Anordnungen, wie Mizellen, Anticolloide, Vesikel, Flüssigkristalle usw. Diese molekular geordneten Anordnungen weisen eine große Vielfalt von Anwendungsfunktionen auf.

Die grundlegendste davon ist die solubilisierende Funktion (auch Solubilisierungsfunktion genannt) von Mizellen.

 

Aus der solubilisierenden Wirkung von Mizellen und anderen molekular geordneten Zusammensetzungen wurden Funktionen wie Mizellenkatalyse, Bildung von Mikroemulsionen, Verwendung als Spacer-Reaktionsmedien und Mikroreaktoren, Arzneimittelträger usw. abgeleitet.

 

Die reinigende Funktion von Tensiden hängt auch in hohem Maße mit der Solubilisierungswirkung von Mizellen auf Öl zusammen.

 

Die Größe der molekular geordneten Zusammensetzungen von Tensiden oder die Dicke der aggregierten Molekülschichten liegt nahe der Nanometerskala, was einen geeigneten Ort und geeignete Bedingungen für die Bildung ultrafeiner Partikel mit "Quantengrößeneffekt" bieten kann.

Daher können molekular geordnete Zusammensetzungen von Tensiden als Vorlagen (Template-Funktion) für die Herstellung von ultrafeinen Partikeln (z. B. Nanopartikeln) verwendet werden.

 

Aufgrund ihrer besonderen Struktur eignen sich molekular geordnete Baugruppen optimal für die Modellierung von Biofilmen.

Molekular geordnete Baugruppen können auch zu fortgeschrittenen geordneten Strukturen (supramolekularen Strukturen) umgeordnet werden, deren Lösungen ein neuartiges und komplexes Phasenverhalten oder ungewöhnliche rheologische Eigenschaften, optische Eigenschaften, chemische Reaktivität usw. aufweisen. Sie haben also weitere spezielle Anwendungsfunktionen.

Grundsätze der Anwendung von Tensiden in Detergenzien

Anwendung von Tensiden in traditionellen Bereichen

Tenside verfügen über eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie Benetzen, Emulgieren, Dispergieren, Solubilisieren, Schäumen und Entschäumen, Penetrieren, Waschen, Antistatikum, Bakterizidie usw. Sie haben eine breite Palette von Anwendungen in traditionellen zivilen Bereichen wie Waschmittel, Kosmetika, Körperpflegeprodukte usw. sowie in industriellen und technologischen Bereichen wie Textilien, Lebensmittel, Medizin und Pestizide, Farben und Beschichtungen, Bauwesen, Mineralflotation, Energie, Zellstoff und Papier, Gerberei und andere Industrien.

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung der Hoch- und Neutechnologie Tag für Tag verändert, und Tenside mit ihren einzigartigen Funktionen in der Nanotechnologie, im Umweltschutz, bei neuen Materialien, in den Biowissenschaften und in anderen High-Tech-Bereichen sind zu unverzichtbaren Produkten geworden.

Anwendungsprinzip von Tensiden in Detergenzien

Detergenzien sind Chemikalien für den täglichen Gebrauch, die aus Tensiden, Waschmitteln und Hilfsstoffen formuliert werden, um Schmutz von der Oberfläche von Gegenständen zu entfernen und den Zweck der Reinigung zu erreichen.

Zu den derzeit im zivilen Bereich gebräuchlichen Detergenzien gehören vor allem Waschmittel und Weichspüler für die Reinigung von Kleidung, Waschmittel und Geschirrspülmittel für die Reinigung von Geschirr, Obst und Gemüse, Fettlöser für die Küche, Toilettenreiniger für die Toilettenreinigung und andere wichtige Kategorien.

Tensid ist der Hauptbestandteil von Waschmitteln, so dass Waschmittel und Tensid neben der hervorragenden Wasch- und Dekontaminationsfähigkeit auch eine gute Benetzungs-, Schaumbildungs-, Emulgier-, Dispersions- und Solubilisierungsfähigkeit aufweisen.

In früheren Detergenzien wurde häufig ein einzelnes Tensid verwendet, z. B. Natriumalkylbenzolsulfonat. Heutzutage werden in Detergenzien jedoch in der Regel komplexe Tenside verwendet, z. B. ein anionischer/anionischer Komplex oder ein anionischer/nichtionischer Komplex.

Aufgrund des Synergieeffekts zwischen den Tensidmischungen weisen die Detergenzien manchmal schon bei geringeren Tensidgehalten eine gute Waschkraft auf.

Der Prozess der Dekontaminierung durch Reinigungsmittel und der damit verbundene Mechanismus wurden kurz vorgestellt. Der Kern des Prozesses besteht darin, den Schmutz durch die physikalisch-chemische Wirkung von Tensiden und die mechanische und wässrige Wirkung des Wasserstroms von der Oberfläche des zu reinigenden Objekts zu lösen und durch den Wasserstrom abzutransportieren.

Die Adsorption des Tensids an der Oberfläche des Schmutzes und des Substrats ist der Schlüssel, und dies führt zu den folgenden grundlegenden Aktionen.

(1) Durchdringung und Benetzung

Während des Waschvorgangs können die Tensidmoleküle an der Oberfläche des Gegenstands und des Schmutzes adsorbieren und so die Grenzflächenspannung zwischen dem Medium (im Allgemeinen Wasser) und der Oberfläche des Gegenstands sowie zwischen dem Medium und der Oberfläche des Schmutzes verringern, so dass das Medium zwischen die Oberfläche des Gegenstands und den Schmutz eindringen und in das Innere des Gegenstands gelangen kann. Dieser Vorgang wird als Benetzungspenetration des Waschmittels bezeichnet.

Die Benetzung der Waschflüssigkeit auf dem Waschgut ist eine Voraussetzung für das Waschen. Wenn die Waschflüssigkeit das Waschgut nicht gut benetzen kann, gibt es keine gute Wasch- und Dekontaminationswirkung.

Die benetzende Penetrationswirkung der Waschmittellösung verringert nicht nur die Anziehungskraft zwischen der Oberfläche des Gegenstands und der Oberfläche des Schmutzes, sondern auch die Anziehungskraft zwischen den Schmutzpartikeln, die in feine Teilchen zerbrechen und im Medium dispergiert werden können, wenn eine geeignete äußere Kraft angewendet wird.

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(2) Emulgieren und Dispergieren

Beim Waschvorgang wird das Öl mit Hilfe der physikalischen und chemischen Wirkung von Tensiden und mechanischem Rühren zu einer O/W-Emulsion emulgiert. Die meisten wässrigen Lösungen von Detergenzien mit guter Leistung haben eine niedrige Oberflächenspannung und Öl/Wasser-Grenzflächenspannung.

In der niedrigeren Grenzflächenspannung zur gleichen Zeit, das Tensid in der Öl / Wasser-Grenzfläche, um eine gewisse Stärke des Grenzflächenfilms zu bilden, kann die Aggregation von Öl-Perlen zu verhindern, ist förderlich für die Stabilität der Emulsion, so dass die Öl-Flecken sind nicht einfach, um auf der Oberfläche der Waren wieder absetzen. Die geringere Grenzflächenspannung begünstigt die Emulgierung des flüssigen Schmutzes und damit die Entfernung des flüssigen Schmutzes.

Während des Waschvorgangs wird der flüssige Schmutz natürlich nicht direkt im Medium gelöst, sondern unter der Einwirkung des Tensids zunächst "aufgerollt", dann unter der Einwirkung des Wasserstroms von der Oberfläche des Gegenstands abgelöst, emulgiert und im Medium suspendiert.

 

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(3) Solubilisierende Wirkung

Wenn die Konzentration des Tensids höher ist als die kritische Mizellenkonzentration (cmc), bilden sich in der Lösung Mizellen. Einige unlösliche oder schwer lösliche Stoffe im wässrigen Medium diffundieren in die Mizellen und erhöhen so ihre Löslichkeit im Medium erheblich; dieser Effekt wird als Solubilisierung von Mizellen bezeichnet.

 

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Neben der Emulgierung kann die Solubilisierung von Öl durch Mizellen die andere Hauptmethode zur Entfernung von flüssigem Schmutz von festen Oberflächen sein.

Unpolare Öle werden im Allgemeinen im unpolaren Kern der Mizellen gelöst, während polare Öle je nach Polarität und Molekülstruktur im Bereich der polaren Gruppe der Mizellenhülle gelöst werden können; bei amphiphilen Ölen wird die polare Gruppe des Ölmoleküls an der Mizellenoberfläche "verankert", während die unpolare Kohlenwasserstoffkette in den Mizellenkern eingeführt wird.

Es hat sich gezeigt, dass bei einer Tensidkonzentration von mehr als cmc die Waschkraft nur in sehr geringem Maße zunimmt, so dass die Solubilisierung kein wesentlicher Faktor im Waschprozess ist.

Allerdings, in der lokalen Waschprozess (wie Kleidung lokalen verschmiert mit Seife oder andere Reinigungsmittel schrubben, sowie das Waschen des Gesichts und der Hände mit Seife, usw.), die Menge des Waschmittels ist groß, die Tensid-Konzentration ist sehr hoch, zu diesem Zeitpunkt die Solubilisierung von Öl in der Mizellen wird der wichtigste Mechanismus der Öl-Entfernung.

(4) Schäumende Wirkung

Detergens reduziert die Grenzflächenspannung zwischen dem Medium / Luft, so dass die Luft in dem Medium und die Bildung von Blasen dispergiert werden kann. Zur gleichen Zeit das Tensid in der Blase Oberfläche, um eine feste Schicht der gerichteten Anordnung des Films zu bilden, um die Stabilität des Schaums, die schäumende, Blase Stabilisierung zu erhalten.

Obwohl der Schaum und Waschwirkung hat keine entsprechende direkte Beziehung, aber es kann den Schmutz zu adsorbieren wurde dispergiert, so dass es in den Schaum gesammelt, und Schmutz auf der Oberfläche des Mediums Lösung.

Doch in der industriellen Waschprozess oder Familie Waschmaschine Waschprozess, die Entstehung von Schaum vermittelt den Eindruck, dass es nicht sauber gespült, die Notwendigkeit, die Zahl der Spülung zu erhöhen, so dass die Maschine waschen ist oft schaumarm Typ Waschmittel.