Structure moléculaire Caractéristiques des Agents tensioactifs

Tension superficielle et substances tensioactives

Les solutés qui s'adsorbent positivement dans une solution aqueuse réduisent la tension superficielle de l'eau, tandis que les solutés qui s'adsorbent négativement augmentent la tension superficielle de l'eau.

Matériaux tensioactifs (matériaux tensioactifs) : vaste groupe de substances capables de produire une adsorption positive dans une solution aqueuse et donc de réduire de manière significative la tension superficielle de l'eau. Par exemple, l'éthanol, l'acide propionique, le sulfate de sodium dodécyle, etc.

La nature de ces substances qui réduisent la tension superficielle de l'eau est appelée activité de surface (activité de surface) ; en conséquence, les substances qui ne peuvent pas produire d'adsorption positive et qui ne peuvent pas réduire la tension superficielle de l'eau sont appelées substances non actives en surface, telles que les sels inorganiques, le glucose, etc.

Tensioactifs (surfactants) : dans les substances tensioactives, il existe une classe de substances dont une très faible concentration peut faire baisser la tension superficielle de l'eau de manière significative, mais lorsque la concentration augmente jusqu'à une certaine valeur, la tension superficielle ne diminue plus ou très lentement ; cette classe de substances tensioactives est appelée surfactants (surfactants), tels que le sulfate de sodium, le bromure de dodécyltriméthylammonium et le bromure de nonyl. Agents de surface, tels que le sulfate de dodécyle de sodium, le bromure de dodécyltriméthylammonium et l'éther de polyoxyéthylène (9) de nonylphénol et d'autres substances.

Structure moléculaire des agents de surface

Les premiers agents tensioactifs utilisés par l'homme étaient des sels de sodium (ou de potassium) d'acides gras, communément appelés savons.

Dans les premiers temps, les gens mélangeaient des graisses végétales et animales et des cendres d'herbe en solution aqueuse et les chauffaient pour fabriquer du savon.

Plus tard, avec les progrès de l'industrie chimique, la soude caustique (NaOH), les gens par la saponification alcaline des graisses et des huiles pour produire du savon.

Dans les années 1920 et 1930, la Première Guerre mondiale a entraîné une pénurie de graisses et d'huiles. Afin de mettre au point des substituts au savon, des surfactants synthétiques ont vu le jour en Allemagne, tels que les sulfonates d'alkylbenzène, les sulfates d'alcools gras, etc. Ces tensioactifs ont des molécules communes.

Ces molécules tensioactives ont une structure moléculaire commune, c'est-à-dire que les molécules contiennent à la fois des groupes hydrophiles et lipophiles, par exemple, le groupe hydrophile dans le savon est -COONa, et dans l'alkylbenzènesulfonate de sodium le groupe hydrophile est -SO3Na, et les groupes lipophiles sont tous de longues chaînes d'alkyle.

De nos jours, ce type de molécule est appelé molécule amphiphile, dans laquelle le groupe hydrophile est ionique. La structure de la molécule amphiphile est très similaire à celle des allumettes, la partie boule étant le groupe hydrophile, la partie tige étant le groupe alkyle, le groupe lipophile.
Comme le montre la figure 1

Figure 1 Schéma du modèle de la bille et du bâton des agents de surface et de leur disposition directionnelle à l'interface eau/air (huile).

Le groupe hydrophile confère aux molécules une certaine solubilité dans l'eau.
Le groupe lipophile confère à ce type de molécules une certaine solubilité dans l'huile.

Lorsque ces molécules sont en contact avec l'eau, le groupe hydrophile de la molécule s'hydrate fortement avec les molécules d'eau et conduit à la dissolution, tandis que le groupe lipophile de la molécule a fortement tendance à s'échapper de l'environnement aqueux en raison de son manque d'affinité avec les molécules d'eau, et ces deux effets diamétralement opposés font que les molécules sont enrichies à l'interface eau/air ou à l'interface eau/huile, avec le groupe hydrophile dans la phase aqueuse et le groupe lipophile dans la phase air ou la phase huile, à l'interface. Les molécules sont disposées de manière orientée, comme le montre la figure 1.

Le résultat combiné est une adsorption positive de l'agent de surface dans une solution aqueuse, ce qui entraîne une diminution significative de la tension superficielle de l'eau ou de la tension à l'interface huile/eau.

La structure moléculaire des agents tensioactifs a un point commun : la molécule est constituée de deux parties, l'une aimant les solvants, l'autre les aimant également.
Une partie est pro-solvant, l'autre est hydrophobe.

Les agents de surface étant généralement utilisés dans des solutions aqueuses, on parle souvent des deux parties de l'agent de surface : le groupe hydrophile (partie polaire) et le groupe hydrophobe (partie non polaire) ; le groupe hydrophobe est également appelé groupe lipophile.
Comme le montre la figure 2 (a).

Figure 2 Schéma de la structure moléculaire des agents de surface (a)
Taille de CH3 (CH2)11SO4 (b)

Prenons l'exemple d'un surfactant courant, le dodécylsulfate de sodium [CH3(CH2)11SO4Na].
En solution aqueuse, CH3(CH2)11 SO4Na est ionisé en CH3(CH2)11SO4 et Na+, et c'est CH3(CH2)11SO4, connu sous le nom d'ion tensioactif, qui joue le rôle principal.

Il est composé du groupe non polaire CH3(CH2)11-, qui est un groupe hydrophobe (lipophile), et du groupe polaire SO4, qui est un groupe hydrophile. L'ampleur de CH3 (CH2)11SO4 est illustrée à la figure 2 (b).

Cette structure particulière des agents de surface est appelée structure amphiphile (le groupe hydrophile est hydrophile et le groupe hydrophobe est lipophile). Les agents de surface constituent donc une classe de composés amphiphiles.

Le groupe hydrophobe d'un agent de surface est généralement composé d'un groupe hydrocarboné à longue chaîne, dominé par une chaîne hydrocarbonée, tandis que le groupe hydrophile (groupe polaire, groupe de tête) comporte une grande variété de groupes, y compris des groupes ioniques chargés et des groupes polaires non chargés.

 

Toutes les molécules de substances tensioactives ont une structure moléculaire amphiphile. En termes de solution aqueuse, l'hydrophilie du groupe hydrophile et la lipophilie du groupe lipophile doivent être fondamentalement appariées afin d'avoir une activité de surface significative, l'un ou l'autre côté étant trop fort ou trop faible, ce qui affaiblira considérablement les molécules amphiphiles d'activité de surface.

Lorsque le nombre d'atomes de carbone est inférieur à 8, l'hydrophilie est trop forte. Par exemple, l'acide formique, l'acide acétique, l'acide propionique et l'acide butyrique ont une structure amphiphile, mais n'ont qu'une activité de surface et ne peuvent pas être des agents tensioactifs.

La chaîne hydrophobe d'un agent de surface au sens général doit être suffisamment grande, généralement supérieure à 8 atomes de carbone (il n'y a pas de limite stricte).

Au contraire, lorsque le nombre d'atomes de carbone est supérieur à 20, la lipophilie est trop forte, la solubilité dans l'eau est très faible et il ne peut s'agir d'un agent tensioactif typique. Par exemple, dans le cas du savon, les acides gras deviennent de bons agents tensioactifs lorsque leurs atomes de carbone sont compris entre 8 et 20.

 

Fonctions de base des agents de surface

Les surfactants sont des produits chimiques fins fonctionnels.

 

Les agents de surface ont deux fonctions essentielles :

 

Le premier est

 

Adsorption sur la surface (limite), formant un film d'adsorption (généralement monomoléculaire) ;.

 

Le second est

 

Autopolymérisation dans la solution, formant de nombreux types d'assemblages moléculaires ordonnés.

 

À partir de ces deux fonctions, toute une série d'autres

les fonctions d'application.

 

L'adsorption des agents de surface sur la surface entraîne une réduction de la tension superficielle et une modification de la chimie de surface du système.

 

L'agent tensioactif a donc des fonctions moussantes, antimoussantes, émulsifiantes, démulsifiantes, dispersantes, floculantes, mouillantes, étalantes, pénétrantes, lubrifiantes, antistatiques et bactéricides.

 

Les agents de surface s'autopolymérisent dans la solution pour former diverses formes d'assemblages moléculaires ordonnés, tels que les micelles, les anticolloïdes, les vésicules, les cristaux liquides, etc. Ces assemblages moléculairement ordonnés présentent une grande variété de fonctions d'application.

La plus fondamentale d'entre elles est la fonction de solubilisation des micelles.

 

L'effet solubilisant des micelles et d'autres assemblages moléculaires ordonnés a permis de développer des fonctions telles que la catalyse des micelles, la formation de microémulsions, l'utilisation de milieux réactionnels et de microréacteurs comme espaceurs, les transporteurs de médicaments, etc.

 

La fonction détergente des agents de surface est également largement liée à l'effet solubilisant des micelles sur l'huile.

 

La taille des compositions moléculaires ordonnées d'agents de surface ou l'épaisseur des couches moléculaires agrégées est proche de l'échelle du nanomètre, ce qui peut fournir un lieu et des conditions appropriés pour la formation de particules ultrafines avec un "effet de taille quantique".

Par conséquent, les assemblages moléculaires ordonnés d'agents tensioactifs peuvent être utilisés comme modèles (fonction de modèle) pour la préparation de particules ultrafines (par exemple, des nanoparticules).

 

La structure particulière des assemblages moléculaires ordonnés les rend optimaux pour la modélisation des biofilms.

Les assemblages moléculaires ordonnés peuvent également être réarrangés pour former des structures ordonnées avancées (structures supramoléculaires), dont les solutions présentent un comportement de phase nouveau et complexe ou des propriétés rhéologiques inhabituelles, des propriétés optiques, une réactivité chimique, etc. Ils ont donc d'autres fonctions d'application spéciales.

Principes d'application des agents de surface dans les détergents

Application des agents de surface dans les domaines traditionnels

Les tensioactifs possèdent une série de propriétés supérieures telles que le mouillage, l'émulsification, la dispersion, la solubilisation, la formation de mousse et de démousse, la pénétration, le lavage, l'antistatisme, la bactéricidie, etc. Ils ont un large éventail d'applications dans les domaines civils traditionnels tels que les détergents, les cosmétiques, les produits d'hygiène personnelle, etc., ainsi que dans les domaines industriels et technologiques tels que les textiles, l'alimentation, la médecine et les pesticides, les peintures et les revêtements, la construction, la flottation minérale, l'énergie, la pâte et le papier, le tannage et d'autres industries.

Ces dernières années, le développement des hautes et nouvelles technologies évolue jour après jour, et les agents de surface, avec leurs fonctions uniques dans les domaines de la nanotechnologie, de la protection de l'environnement, des nouveaux matériaux, des sciences de la vie et d'autres domaines de haute technologie, deviennent des produits indispensables.

Principe d'application des agents de surface dans les détergents

Les détergents sont des produits chimiques à usage quotidien qui sont formulés à partir d'agents tensioactifs, de détergents et d'auxiliaires pour éliminer la saleté de la surface des objets et atteindre l'objectif de nettoyage.

Actuellement, les détergents couramment utilisés dans le domaine civil comprennent principalement le détergent à lessive et l'assouplissant pour le nettoyage des vêtements, le détergent et le liquide vaisselle pour le nettoyage de la vaisselle, des fruits et des légumes, le dégraissant pour la cuisine, le nettoyant pour la cuvette des toilettes, ainsi que d'autres catégories importantes.

L'agent tensioactif est le principal ingrédient des détergents, de sorte que les détergents et les agents tensioactifs, outre leur excellente capacité de lavage et de décontamination, ont également une bonne capacité de mouillage, de moussage, d'émulsification, de dispersion et de solubilisation.

Les premiers détergents utilisaient souvent un seul agent de surface, tel que l'alkylbenzène sulfonate de sodium. Toutefois, de nos jours, les détergents utilisent généralement des agents de surface complexes, tels que le complexe anionique/anionique ou le complexe anionique/non ionique.

En raison de l'effet synergique des mélanges d'agents tensioactifs, les détergents ont parfois un bon pouvoir détergent à des teneurs en agents tensioactifs plus faibles.

Le processus de décontamination par les détergents et le mécanisme correspondant ont été brièvement présentés. Le cœur du processus consiste à séparer la saleté de la surface de l'objet à nettoyer par l'action physico-chimique des agents de surface et l'action mécanique et aqueuse de l'écoulement de l'eau, et à l'emporter par l'écoulement de l'eau.

L'adsorption de l'agent de surface sur la surface de la saleté et du substrat est la clé, et cela conduit à la série suivante d'actions de base.

(1) Pénétration et mouillage

Au cours du processus de lavage, les molécules d'agents tensioactifs peuvent s'adsorber à la surface de l'article et de la saleté, réduisant ainsi la tension interfaciale entre le milieu (généralement de l'eau) et la surface de l'article, ainsi qu'entre le milieu et la surface de la saleté, de sorte que le milieu peut pénétrer entre la surface de l'article et la saleté et pénétrer à l'intérieur de l'article. Cette action est appelée action de mouillage et de pénétration du détergent.

Le mouillage du liquide de lavage sur l'article à laver est une condition préalable au lavage. Si le liquide de lavage ne peut pas bien mouiller l'article, il n'y a pas de bon effet de lavage et de décontamination.

L'effet de pénétration et de mouillage de la solution détergente réduit non seulement l'attraction entre la surface de l'article et la surface de la saleté, mais aussi l'attraction entre les particules de saleté, qui peuvent être brisées en fines particules et dispersées dans le milieu lorsqu'une force externe appropriée est appliquée.

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(2) Emulsification et dispersion

Au cours du processus de lavage, l'huile est émulsionnée pour former une émulsion H/E grâce aux effets physiques et chimiques des agents de surface et à l'agitation mécanique. La plupart des solutions aqueuses de détergents ayant de bonnes performances ont une faible tension de surface et une faible tension interfaciale entre l'huile et l'eau.

En même temps que la tension interfaciale est plus faible, l'agent tensioactif dans l'interface huile/eau forme une certaine force du film interfacial, peut empêcher l'agrégation de billes d'huile, est propice à la stabilité de l'émulsion, de sorte que les taches d'huile ne sont pas faciles à déposer à nouveau sur la surface des marchandises. Une tension interfaciale plus faible favorise l'émulsification de la saleté liquide et, par conséquent, l'élimination de la saleté liquide.

Bien entendu, au cours du processus de lavage, la saleté liquide n'est pas directement dissoute dans le milieu, mais sous l'action de l'agent tensioactif, elle est d'abord "enroulée", puis détachée de la surface de l'article sous l'action du flux d'eau et émulsionnée, et mise en suspension dans le milieu.

 

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(3) Effet solubilisant

Lorsque la concentration de l'agent de surface est supérieure à la concentration critique en micelles (cmc), des micelles se forment dans la solution. Certaines substances insolubles ou légèrement solubles dans le milieu aqueux diffusent dans les micelles, augmentant ainsi leur solubilité dans le milieu de manière significative, cet effet est appelé solubilisation des micelles.

 

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Outre l'émulsification, la solubilisation de l'huile par les micelles peut être l'autre principal moyen d'éliminer la saleté liquide des surfaces solides.

Les huiles non polaires sont généralement solubilisées dans le cœur non polaire des micelles, tandis que les huiles polaires peuvent être solubilisées dans la région du groupe polaire de l'enveloppe micellaire, en fonction de leur polarité et de leur structure moléculaire ; dans le cas des huiles amphiphiles, le groupe polaire de la molécule d'huile sera "ancré" à la surface de la micelle, tandis que la chaîne hydrocarbonée non polaire sera insérée dans le cœur de la micelle.

Il a été démontré que lorsque la concentration de l'agent de surface est supérieure à cmc, l'augmentation de la détergence est très limitée, de sorte que la solubilisation n'est pas un facteur majeur dans le processus de lavage.

Cependant, dans le processus de lavage local (comme le lavage des vêtements avec du savon ou d'autres détergents, ainsi que le lavage du visage et des mains avec du savon, etc.), la quantité de détergent est importante, la concentration de surfactant est très élevée, et la solubilisation de l'huile dans les micelles sera alors le principal mécanisme d'élimination de l'huile.

(4) Effet moussant

Le détergent réduit la tension interfaciale entre le milieu et l'air, de sorte que l'air peut être dispersé dans le milieu et la formation de bulles. Dans le même temps, l'agent de surface à la surface des bulles pour former une couche solide de l'arrangement directionnel du film, pour maintenir la stabilité de la mousse, ce qui est la mousse, la stabilisation de la bulle.

Bien que la mousse et l'effet de lavage n'aient pas de relation directe correspondante, elle peut adsorber la saleté dispersée de manière à ce qu'elle se rassemble dans la mousse, et la saleté à la surface de la solution média.

Toutefois, dans le processus de lavage industriel ou familial, l'apparition de mousse donne l'impression que le produit n'est pas rincé proprement, d'où la nécessité d'augmenter le nombre de rinçages, de sorte que le lavage en machine fait souvent appel à des détergents à faible teneur en mousse.