A molekulaszerkezet jellemzői Felületaktív anyagok

Felületi feszültség és felületaktív anyagok

A vizes oldatban pozitívan adszorbeálódó oldott anyagok csökkentik a víz felületi feszültségét, míg a negatívan adszorbeálódó oldott anyagok növelik a víz felületi feszültségét.

Felületaktív anyagok (felületaktív anyagok),: olyan anyagok nagy csoportja, amelyek pozitív adszorpciót képesek előidézni vizes oldatban, és így jelentősen csökkentik a víz felületi feszültségét. Például etanol, propionsav, nátriumdodecilszulfát stb.

Az ilyen anyagok természetét, hogy csökkentik a víz felületi feszültségét, felületi aktivitásnak (felületaktivitás) nevezzük; ennek megfelelően nem tudnak pozitív adszorpciót előidézni, amelyek nem tudják csökkenteni a víz felületi feszültségét, nem felületaktív anyagoknak nevezzük, mint például a szervetlen sók, glükóz és így tovább.

Tenzidek (felületaktív anyagok): a felületaktív anyagok között van egy osztálynyi anyag, amely nagyon alacsony koncentrációban jelentősen csökkentheti a víz felületi feszültségét, de amikor a koncentráció egy bizonyos értékre emelkedik, a felületi feszültség már nem csökken, vagy nagyon lassan csökken, az emberek a felületaktív anyagok ezen osztályát felületaktív anyagoknak (felületaktív anyagoknak) nevezik, mint például a nátrium-dodecil-szulfát, dodecil-trimetil-ammónium-bromid és nonyl-bromid. Felületaktív anyagok, mint például a nátrium-dodecilszulfát, a dodeciltrimetil-ammónium-bromid és a nonylfenol-polioxi-etilén (9) éter és más anyagok.

A felületaktív anyagok molekuláris szerkezete

Az emberek által használt első felületaktív anyagok a zsírsavak nátrium- (vagy kálium-) sói voltak, amelyeket általában szappanként ismertek.

A kezdeti időkben az emberek növényi és állati zsírokat és fűhamu vizes oldatát keverték össze, és felmelegítve szappant készítettek belőle.

Később, a vegyipar fejlődésével, a szódabikarbóna (NaOH), az emberek a zsírok és olajok lúgos elszappanosításával szappant állítottak elő.

Az 1920-as és 1930-as években az I. világháború miatt hiány volt a zsírokból és olajokból, a szappanpótlók kifejlesztése érdekében Németországban szintetikus felületaktív anyagok születtek, mint például az alkil-benzol-szulfonátok, zsíralkohol-szulfátok stb. Ezeknek a felületaktív anyagoknak közös molekuláik vannak.

Ezek a felületaktív molekulák közös molekulaszerkezettel rendelkeznek, azaz a molekulák hidrofil és lipofil csoportokat is tartalmaznak, például a szappanban a hidrofil csoport -COONa, a nátriumalkilbenzol-szulfonátban a hidrofil csoport -SO3Na, a lipofil csoportok pedig mind hosszú alkilláncok.

Manapság ezt a fajta molekulát amfifil molekulának nevezik, amelyben a hidrofil csoport ionos amfifil molekula szerkezete nagyon hasonló a gyufához, a gömb része hidrofil csoport, a szár része alkil csoport, lipofil csoport.
Amint az az 1. ábrán látható

1. ábra A felületaktív anyagok golyós-pálcás modelljének sematikus ábrája és irányított elrendeződésük a víz/levegő (olaj) határfelületen.

A hidrofil csoport miatt a molekulák bizonyos vízoldékonysággal rendelkeznek.
A lipofil csoport miatt az ilyen típusú molekulák bizonyos olajoldékonysággal rendelkeznek.

Amikor ezek a molekulák vízzel érintkeznek, a molekula hidrofil csoportja erősen hidratálódik a vízmolekulákkal és oldódáshoz vezet, míg a molekula lipofil csoportja a vízmolekulákhoz való affinitás hiánya miatt erősen hajlamos kiszabadulni a vizes környezetből, és ez a két szögesen ellentétes hatás a molekulákat a víz/levegő határfelületen vagy a víz/olaj határfelületen gazdaggá teszi, ahol a hidrofil csoport a vizes fázisban, a lipofil csoport pedig a légfázisban vagy az olajfázisban, a határfelületen van. Orientált elrendeződés, ahogyan az 1. ábrán látható.

Az együttes eredmény a felületaktív anyag pozitív adszorpciója a vizes oldatban, ami a víz felületi feszültségének vagy az olaj/víz határfelületi feszültségnek a jelentős csökkenését eredményezi.

A felületaktív anyagok molekulaszerkezetében egy dolog közös, a molekulája két részből áll: az egyik rész oldószer-kedvelő, a másik rész oldószer-kedvelő.
Egyik része oldószerbarát, a másik része oldószer-gyűlölő (hidrofób).

Mivel a felületaktív anyagokat általában vizes oldatokban használják, gyakran nevezik a felületaktív anyag két részét hidrofil csoportnak (poláris rész) és hidrofób (hidrofób) csoportnak (nem poláris rész), a hidrofób csoportot lipofil csoportnak is nevezik.
Amint a 2. ábra a) pontja mutatja.

ábra A felületaktív anyagok molekulaszerkezetének vázlatos ábrája (a)
CH3 (CH2)11SO4 mérete (b)

Vegyünk példának egy gyakori felületaktív anyagot, a nátrium-dodecil-szulfátot [CH3(CH2)11SO4Na].
Vizes oldatban a CH3(CH2)11 SO4Na CH3(CH2)11SO4 és Na+ ionizálódik, és a CH3(CH2)11SO4, az úgynevezett felületaktív ion játssza a főszerepet.

A nem poláros CH3(CH2)11-, amely hidrofób (lipofil) csoport, és a poláros SO4, amely hidrofil csoport. A Na+-t viszont ellenionnak nevezzük. a CH3(CH2)11SO4 nagyságrendjét a 2. ábra (b) mutatja.

A felületaktív anyagok e sajátos szerkezetét amfifil szerkezetnek nevezik (a hidrofil csoport hidrofil, a hidrofób csoport pedig lipofil). A felületaktív anyagok tehát az amfifil vegyületek egyik osztályát alkotják.

A felületaktív anyag hidrofób csoportja általában egy hosszú szénhidrogénláncú szénhidrogéncsoportból áll, amelyet egy szénhidrogénlánc ural, míg a hidrofil csoport (poláris csoport, fejcsoport) sokféle csoportot tartalmaz, beleértve a töltött ionos csoportokat és a töltés nélküli poláris csoportokat.

 

A felületaktív anyagok minden molekulája amfifil molekulaszerkezetű. A vizes oldat szempontjából a hidrofil csoport hidrofilitásának és a lipofil csoport lipofilitásának alapvetően meg kell egyeznie ahhoz, hogy jelentős felületi aktivitással rendelkezzen, bármelyik oldal túl erős vagy túl gyenge, jelentősen gyengíti az amfifil molekulák felületi aktivitását.

Ha a szénatomok száma 8 alatt van, a hidrofilitás túl erős, például a hangyasav, az ecetsav, a propionsav, a vajsav amfifil szerkezetű, de csak felületi aktivitással rendelkezik, nem lehet felületaktív anyag.

A felületaktív anyag hidrofób láncának általános értelemben elég nagynak kell lennie, általában 8 szénatom felett (nincs szigorú határérték).

Ezzel szemben, ha a szénatomok száma 20 fölött van, a lipofilitás túl erős, a vízben való oldhatóság nagyon kicsi, és nem lehet tipikus felületaktív anyag. Például a szappanok esetében a zsírsavak akkor válnak jó felületaktív anyagokká, ha szénatomszámuk 8 és 20 között van.

 

A felületaktív anyagok alapvető funkciói

A felületaktív anyagok funkcionális finom vegyi anyagok.

 

A felületaktív anyagoknak két alapvető funkciója van:

 

Az első a

 

Adszorpció a felületen (határfelületen), adszorpciós film (általában monomolekuláris film) kialakításával;.

 

A második

 

Önpolimerizáció az oldaton belül, sokféle molekulárisan rendezett összeállítást képezve.

 

Ebből a két funkcióból számos más

alkalmazási funkciók.

 

A felületaktív anyagok adszorpciója a felületen a felületi feszültség csökkenését és a rendszer felületi kémiájának megváltozását eredményezi.

 

Így a felületaktív anyag habosító, habzásgátló, emulgeáló, demulgeáló, diszpergáló, flokkuláló, nedvesítő, terítő, penetráló, kenőanyag, antisztatikus és baktériumölő funkcióval rendelkezik.

 

A felületaktív anyagok az oldatban önpolimerizálódnak, és különböző molekulárisan rendezett elrendeződéseket alkotnak, például micellákat, antikolloidokat, vezikulákat, folyadékkristályokat és így tovább. Ezek a molekulárisan rendezett együttesek az alkalmazási funkciók széles skáláját mutatják.

Ezek közül a legalapvetőbb a micellák szolubilizáló (más néven szolubilizáló) funkciója.

 

A micellák és más molekulárisan rendezett egységek szolubilizáló hatása alapján olyan funkciókat vezettek le, mint a micella-katalízis, a mikroemulziók képzése, valamint a távtartó reakcióközegként és mikroreaktorokként, gyógyszerhordozóként stb. történő felhasználás.

 

A felületaktív anyagok mosószer funkciója is nagymértékben összefügg a micellák olajra gyakorolt szolubilizáló hatásával.

 

A felületaktív anyag molekulárisan rendezett kompozícióinak mérete vagy az aggregált molekuláris rétegek vastagsága közel van a nanométeres skálához, ami megfelelő helyet és körülményeket biztosíthat a "kvantumméret-effektussal" rendelkező ultrafinom részecskék kialakulásához.

Ezért a felületaktív anyagok molekulárisan rendezett együttesei sablonként (template funkció) használhatók ultrafinom részecskék (pl. nanorészecskék) előállításához.

 

A molekulárisan rendezett elrendeződések különleges szerkezete optimálissá teszi őket a biofilmek modellezésére.

A molekulárisan rendezett elrendeződések átrendeződhetnek olyan fejlett rendezett struktúrák (szupramolekuláris struktúrák) kialakítására is, amelyek oldatai újszerű és összetett fázisviselkedést vagy szokatlan reológiai tulajdonságokat, optikai tulajdonságokat, kémiai reakcióképességet stb. mutatnak. Így más speciális alkalmazási funkciókkal is rendelkeznek.

A felületaktív anyagok mosószerekben való alkalmazásának alapelvei

Tenzidek alkalmazása hagyományos területeken

A felületaktív anyagok egy sor kiváló tulajdonsággal rendelkeznek, mint például nedvesítő, emulgeáló, diszpergáló, szolubilizáló, habosító és habzásgátló, penetráló, mosó, antisztatikus, baktériumölő stb. tulajdonságokkal. Széleskörű alkalmazásuk van a hagyományos polgári területeken, mint például a mosószerek, kozmetikumok, személyi higiéniai termékek stb., valamint az ipari és technológiai területeken, mint például a textilipar, az élelmiszeripar, a gyógyszeripar és a növényvédő szerek, a festékek és bevonatok, az építőipar, az ásványi flotálás, az energiaipar, a cellulóz- és papíripar, a cserzőipar és más iparágak.

Az elmúlt években a magas és új technológiák fejlődése napról napra változik, és a nanotechnológiában, a környezetvédelemben, az új anyagokban, az élettudományokban és más high-tech területeken egyedülálló funkcióval rendelkező felületaktív anyagok nélkülözhetetlen termékekké válnak.

A felületaktív anyagok alkalmazási elve a mosó- és tisztítószerekben

A tisztítószerek olyan napi használatú vegyi anyagok, amelyeket felületaktív anyagokból, mosószerekből és segédanyagokból állítanak össze, hogy eltávolítsák a szennyeződéseket a tárgyak felületéről, és elérjék a tisztítás és a tisztítás célját.

Jelenleg a polgári területen általánosan használt mosószerek közé tartoznak elsősorban a ruhák tisztítására szolgáló mosószerek és lágyítószerek, az edények, gyümölcsök és zöldségek tisztítására szolgáló mosószerek és mosogatószerek, a konyhai zsíroldó, a WC-kagylótisztító a WC tisztításához és más főbb kategóriák.

A felületaktív anyag a mosószer fő összetevője, így a mosószer és a felületaktív anyag a kiváló mosási és fertőtlenítési képesség mellett jó nedvesítő, habosító, emulgeáló, diszpergáló, szolubilizáló képességgel is rendelkezik.

A korai mosószerek gyakran egyetlen felületaktív anyagot, például nátrium-alkilbenzol-szulfonátot használtak. Manapság azonban a mosószerek általában komplex felületaktív anyagokat használnak, például anionos/anionos komplexet vagy anionos/nemionos komplexet.

A tenzidkeverékek közötti szinergikus hatásnak köszönhetően a mosószerek néha már alacsonyabb tenzidtartalom mellett is jó mosószer-eltávolító képességgel rendelkeznek.

Röviden bemutattuk a tisztítószeres fertőtlenítés folyamatát és a kapcsolódó mechanizmust. A folyamat lényege, hogy a szennyeződés a felületaktív anyagok fizikai-kémiai hatása és a vízáramlás mechanikai és vizes hatása révén leválik a tisztítandó tárgy felületéről, és a vízáramlás elviszi azt.

A kulcs a felületaktív anyag adszorpciója a szennyeződés és a szubsztrátum felületén, ami a következő alapvető műveletsorozathoz vezet.

(1) Behatolás és nedvesedés

A mosási folyamat során a felületaktív molekulák képesek adszorbeálódni a tárgy és a szennyeződés felületén, csökkentve a határfelületi feszültséget a közeg (általában víz) és a tárgy felülete, valamint a közeg és a szennyeződés felülete között, így a közeg képes behatolni a tárgy felülete és a szennyeződés közé, és behatolni a tárgy belsejébe. Ezt a hatást nevezzük a mosószer nedvesítő penetrációs hatásának.

A mosófolyadék nedvesítése a mosási cikken a mosás előfeltétele, ha a mosófolyadék nem tudja jól nedvesíteni a cikket, nincs jó mosási és fertőtlenítési hatás.

A mosószeroldat nedvesítő penetrációs hatása nemcsak a tárgy felülete és a szennyeződés felülete közötti vonzást csökkenti, hanem a szennyeződés részecskéi közötti vonzást is, amelyek megfelelő külső erő alkalmazásakor finom részecskékre törhetnek és szétszóródhatnak a közegben.

Kép

(2) Emulgeálás és diszpergálás

A mosási folyamat során a felületaktív anyagok fizikai és kémiai hatása és a mechanikus keverés segítségével az olaj O/W-emulzióvá emulgeálódik. A jó teljesítményű mosószerek legtöbb vizes oldata alacsony felületi feszültséggel és olaj/víz határfelületi feszültséggel rendelkezik.

Az alacsonyabb határfelületi feszültség ugyanakkor, a felületaktív anyag az olaj / víz határfelületen, hogy egy bizonyos szilárdságot a határfelületi film, megakadályozhatja az aggregáció az olaj gyöngyök, elősegíti a stabilitás az emulzió, hogy az olaj foltok nem könnyű lerakódni a felszínen az áruk újra. Az alacsonyabb határfelületi feszültség elősegíti a folyékony szennyeződés emulgeálódását, és ezért elősegíti a folyékony szennyeződés eltávolítását.

Természetesen a mosási folyamat során a folyékony szennyeződés nem közvetlenül oldódik fel a közegben, hanem a felületaktív anyag hatására először "feltekeredik", majd a vízáramlás hatására leválik a tárgy felületéről, emulgeálódik, és a közegben szuszpendálódik.

 

Kép

(3) Szolubilizáló hatás

Ha a felületaktív anyag koncentrációja nagyobb, mint a kritikus micellakoncentráció (cmc), micellák képződnek az oldatban. A vizes közegben lévő egyes oldhatatlan vagy gyengén oldódó anyagok a micellákba diffundálnak, így azok oldhatósága a közegben jelentősen megnő, ezt a hatást nevezzük a micellák szolubilizációjának.

 

Kép

Az emulgeálás mellett az olaj micellák általi szolubilizációja lehet a másik fő módja a folyékony szennyeződések szilárd felületekről való eltávolításának.

A nem poláris olajok általában a micellák nem poláris magjában oldódnak, míg a poláris olajok polaritásuktól és molekulaszerkezetüktől függően a micellahéj poláris csoportjának régiójában oldódhatnak; amfifil olajok esetében az olajmolekula poláris csoportja a micella felszínén "rögzül", míg a nem poláris szénhidrogénlánc a micellamagba kerül.

Kimutatták, hogy ha a felületaktív anyag koncentrációja nagyobb, mint a cmc, a mosóhatás növekedése nagyon korlátozott, így a szolubilizáció nem jelentős tényező a mosási folyamatban.

Azonban a helyi mosási folyamatban (például a szappannal vagy más mosószerekkel súrolt helyi ruházat, valamint az arc és a kéz szappannal történő mosása stb.) a mosószer mennyisége nagy, a felületaktív anyag koncentrációja nagyon magas, ebben az időben az olaj szolubilizációja a micellákban lesz az olaj eltávolításának fő mechanizmusa.

(4) Habosító hatás

A mosószer csökkenti a közeg/levegő közötti határfelületi feszültséget, így a levegő eloszlatható a közegben és buborékok képződhetnek. Ugyanakkor a felületaktív anyag a buborék felületén, hogy szilárd réteget képezzen a film irányított elrendezése, a hab stabilitásának fenntartása érdekében, ami habzás, buborék stabilizálása.

Bár a hab és a mosási hatás nincs megfelelő közvetlen kapcsolat, de adszorbeálhatja a szennyeződéseket úgy, hogy a habban összegyűlt, és a szennyeződéseket a médiaoldat felszínére juttatja.

Azonban az ipari mosási folyamatban vagy a családi mosógép mosási folyamatban a hab megjelenése azt a benyomást kelti, hogy nem öblítik tisztára, növelni kell az öblítések számát, ezért a gépi mosás gyakran alacsony habtartalmú mosószer.