Karakteristik Struktur Molekul dari Surfaktan

Tegangan Permukaan dan Zat Aktif Permukaan

Zat terlarut yang menyerap secara positif dalam larutan air mengurangi tegangan permukaan air, sedangkan zat terlarut yang menyerap secara negatif meningkatkan tegangan permukaan air.

Bahan aktif permukaan (surface active materials),: sekelompok besar zat yang dapat menghasilkan adsorpsi positif dalam larutan air dan dengan demikian secara signifikan mengurangi tegangan permukaan air. Contohnya, etanol, asam propionat, natrium dodesil sulfat, dan sebagainya.

Sifat zat tersebut untuk mengurangi tegangan permukaan air disebut aktivitas permukaan (surfaceactivity); oleh karena itu tidak dapat menghasilkan adsorpsi positif yang tidak dapat mengurangi tegangan permukaan air disebut zat yang tidak aktif di permukaan, seperti garam anorganik, glukosa, dan sebagainya.

Surfaktan (surfaktan): di dalam zat aktif permukaan, ada golongan zat yang dalam konsentrasi yang sangat rendah dapat membuat tegangan permukaan air menurun secara signifikan, tetapi ketika konsentrasinya meningkat hingga nilai tertentu, tegangan permukaan tidak akan menurun lagi atau sangat lambat menurun, orang menyebut golongan zat aktif permukaan ini sebagai surfaktan (surfaktan), seperti natrium dodesil sulfat, dodesiltrimetil amonium bromida, dan nonil bromida. Surfaktan, seperti natrium dodesil sulfat, dodesiltrimetilamonium bromida dan nonilfenol polioksietilena (9) eter dan zat-zat lainnya.

Struktur Molekul Surfaktan

Surfaktan pertama yang digunakan oleh manusia adalah garam natrium (atau kalium) dari asam lemak, umumnya dikenal sebagai sabun.

Pada masa-masa awal, orang mencampurkan lemak tumbuhan dan hewan serta larutan abu rumput dan dipanaskan untuk membuat sabun.

Kemudian, dengan kemajuan industri kimia, soda api (NaOH), orang melalui penyabunan alkali lemak dan minyak untuk menghasilkan sabun.

Pada tahun 1920-an dan 1930-an, Perang Dunia I menyebabkan kekurangan lemak dan minyak, untuk mengembangkan pengganti sabun, surfaktan sintetis lahir di Jerman, seperti alkil benzena sulfonat, alkohol lemak sulfat, dll. Surfaktan ini memiliki molekul yang sama.

Molekul surfaktan ini memiliki struktur molekul yang sama, yaitu molekul yang mengandung gugus hidrofilik dan lipofilik, misalnya, gugus hidrofilik dalam sabun adalah -COONa, dan dalam natrium alkilbenzenasulfonat gugus hidrofiliknya adalah -SO3Na, dan gugus lipofiliknya adalah rantai alkil yang panjang.

Saat ini, molekul semacam ini disebut molekul amfifilik, di mana gugus hidrofilik adalah struktur molekul amfifilik ionik yang sangat mirip dengan korek api, bagian bola adalah gugus hidrofilik, bagian tangkai adalah gugus alkil, adalah gugus lipofilik.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1

Gambar 1 Diagram skematik model bola-dan-tongkat surfaktan dan pengaturan arahnya pada antarmuka air/udara (minyak).

Gugus hidrofilik membuat molekul memiliki kelarutan dalam air tertentu.
Gugus lipofilik membuat molekul jenis ini memiliki kelarutan dalam minyak tertentu.

Ketika molekul-molekul ini bersentuhan dengan air, gugus hidrofilik dalam molekul memiliki hidrasi yang kuat dengan molekul air dan menyebabkan pembubaran, sedangkan gugus lipofilik dalam molekul memiliki kecenderungan yang kuat untuk melarikan diri dari lingkungan air karena kurangnya afinitas dengan molekul air, dan dua efek yang berlawanan secara diametris ini membuat molekul-molekul tersebut diperkaya dalam antarmuka air/udara atau antarmuka air/minyak, dengan gugus hidrofilik di fase air dan gugus lipofilik di fase udara atau fase minyak, di antarmuka. Pengaturan berorientasi, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 1.

Hasil gabungannya adalah adsorpsi positif dari surfaktan dalam larutan air, yang menghasilkan penurunan yang signifikan pada tegangan permukaan air atau tegangan pada antarmuka minyak/air.

Struktur molekul surfaktan memiliki satu kesamaan, molekulnya terdiri dari dua bagian: satu bagian adalah pelarut-penghilang; bagian lainnya adalah pelarut-penghilang.
Satu bagian pro-pelarut; bagian lainnya membenci pelarut (hidrofobik).

Karena surfaktan biasanya digunakan dalam larutan berair, maka sering disebut dua bagian kelompok hidrofilik surfaktan (bagian polar) dan kelompok hidrofobik (hidrofobik) (bagian non polar), kelompok hidrofobik juga disebut kelompok lipofilik.
Seperti ditunjukkan pada Gbr. 2 (a).

Gambar 2 Diagram skematis struktur molekul surfaktan (a)
Ukuran CH3 (CH2) 11SO4 (b)

Mengambil surfaktan umum, sodium dodecyl sulphate [CH3 (CH2) 11SO4Na], sebagai contoh.
Dalam larutan air, CH3(CH2)11 SO4Na terionisasi menjadi CH3(CH2)11SO4 dan Na+, dan CH3(CH2)11SO4, yang dikenal sebagai ion aktif permukaan, yang memainkan peran utama.

Ini terdiri dari CH3 (CH2) 11- non-kutub, yang merupakan gugus hidrofobik (lipofilik), dan SO4 yang bersifat kutub, yang merupakan gugus hidrofilik. Na+, di sisi lain, disebut sebagai counterion, besarnya CH3 (CH2) 11SO4 ditunjukkan pada Gbr. 2 (b).

Struktur khusus surfaktan ini disebut struktur amfifilik (gugus hidrofilik bersifat hidrofilik dan gugus hidrofobik bersifat lipofilik). Dengan demikian, surfaktan adalah kelas senyawa amfifilik.

Gugus hidrofobik surfaktan umumnya terdiri dari gugus hidrokarbon rantai panjang, yang didominasi oleh rantai hidrokarbon, sedangkan gugus hidrofilik (gugus kutub, gugus kepala) memiliki berbagai macam gugus, termasuk gugus ionik bermuatan dan gugus kutub tak bermuatan.

 

Semua molekul zat aktif permukaan memiliki struktur molekul amfifilik. Dalam hal larutan berair, hidrofilisitas gugus hidrofilik dan lipofilisitas gugus lipofilik pada dasarnya harus dicocokkan agar memiliki aktivitas permukaan yang signifikan, salah satu sisi yang terlalu kuat atau terlalu lemah akan secara signifikan melemahkan molekul amfifilik aktivitas permukaan.

Ketika jumlah atom karbon di bawah 8, hidrofilisitasnya terlalu kuat, misalnya asam format, asam asetat, asam propionat, asam butirat memiliki struktur amfifilik, tetapi hanya memiliki aktivitas permukaan, tidak dapat menjadi surfaktan.

Rantai hidrofobik surfaktan dalam pengertian umum harus cukup besar, umumnya di atas 8 atom karbon (tidak ada batasan yang ketat).

Sebaliknya, ketika jumlah atom karbon di atas 20, lipofilisitasnya terlalu kuat, kelarutan dalam air sangat kecil, dan tidak bisa menjadi surfaktan yang khas. Misalnya, dalam kasus sabun, asam lemak menjadi surfaktan yang baik ketika atom karbonnya berada dalam kisaran 8 hingga 20.

 

Fungsi dasar surfaktan

Surfaktan adalah bahan kimia halus yang fungsional.

 

Ada dua fungsi surfaktan yang paling mendasar:

 

Yang pertama adalah

 

Adsorpsi pada permukaan (batas) permukaan, membentuk film adsorpsi (umumnya film monomolekuler);.

 

Yang kedua adalah

 

Polimerisasi sendiri di dalam larutan, membentuk berbagai jenis rakitan yang tersusun secara molekuler.

 

Dari kedua fungsi ini, berbagai fungsi lainnya

fungsi aplikasi.

 

Adsorpsi surfaktan pada permukaan menghasilkan pengurangan tegangan permukaan dan perubahan kimia permukaan sistem.

 

Dengan demikian surfaktan memiliki fungsi berbusa, penghilang busa, pengemulsi, demulsifikasi, pendispersi, flokulasi, pembasahan, penyebaran, penetrasi, pelumasan, antistatis, dan bakterisida.

 

Surfaktan berpolimerisasi sendiri di dalam larutan untuk membentuk berbagai bentuk rakitan yang tersusun secara molekuler, seperti misel, antikoloid, vesikula, kristal cair, dan sebagainya. Rakitan yang tersusun secara molekuler ini menunjukkan berbagai macam fungsi aplikasi.

Yang paling mendasar adalah fungsi pelarutan (juga dikenal sebagai pelarutan) misel.

 

Berdasarkan efek pelarutan misel dan rakitan molekuler lainnya yang tersusun secara molekuler, fungsi-fungsi seperti katalisis misel, pembentukan mikroemulsi, dan penggunaan sebagai media reaksi pengatur jarak dan mikroreaktor, pembawa obat, dan sebagainya, telah diturunkan.

 

Fungsi deterjen dari surfaktan juga sebagian besar terkait dengan efek pelarutan misel pada minyak.

 

Ukuran komposisi molekul surfaktan yang tersusun secara molekuler atau ketebalan lapisan molekul yang teragregasi mendekati skala nanometer, yang dapat menyediakan tempat dan kondisi yang sesuai untuk pembentukan partikel ultrafine dengan "efek ukuran kuantum".

Oleh karena itu, rakitan yang tersusun secara molekuler surfaktan dapat digunakan sebagai templat (fungsi templat) untuk pembuatan partikel ultra halus (mis. nanopartikel).

 

Struktur khusus rakitan yang tersusun secara molekuler membuatnya optimal untuk pemodelan biofilm.

Rakitan yang tersusun secara molekuler juga dapat disusun ulang untuk membentuk struktur yang tersusun tingkat lanjut (struktur supramolekuler), yang solusinya menunjukkan perilaku fasa yang baru dan kompleks atau sifat reologi yang tidak biasa, sifat optik, reaktivitas kimiawi, dan sebagainya. Dengan demikian, mereka memiliki fungsi aplikasi khusus lainnya.

Prinsip-prinsip aplikasi surfaktan dalam deterjen

Aplikasi surfaktan di bidang tradisional

Surfaktan memiliki serangkaian sifat unggul seperti membasahi, mengemulsi, mendispersikan, melarutkan, berbusa dan penghilang busa, menembus, mencuci, antistatis, bakterisida, dll. Mereka memiliki berbagai aplikasi di bidang sipil tradisional seperti deterjen, kosmetik, produk kebersihan pribadi, dll., Serta di bidang industri dan teknologi seperti tekstil, makanan, obat-obatan dan pestisida, cat dan pelapis, konstruksi, pengapungan mineral, energi, pulp dan kertas, penyamakan kulit, dan industri lainnya.

Dalam beberapa tahun terakhir, perkembangan teknologi tinggi dan baru berubah dari hari ke hari, dan surfaktan dengan fungsinya yang unik dalam teknologi nano, perlindungan lingkungan; material baru, ilmu kehidupan, dan bidang teknologi tinggi lainnya menjadi produk yang sangat diperlukan.

Prinsip aplikasi surfaktan dalam deterjen

Deterjen adalah bahan kimia yang digunakan sehari-hari yang diformulasikan dari surfaktan, deterjen, dan bahan pembantu untuk menghilangkan kotoran dari permukaan benda dan mencapai tujuan pembersihan dan pembersihan.

Saat ini, deterjen yang biasa digunakan di bidang sipil terutama meliputi deterjen dan pelembut kain untuk membersihkan pakaian, deterjen dan cairan pencuci piring untuk membersihkan peralatan makan, buah-buahan dan sayuran, penghilang minyak untuk dapur, pembersih toilet untuk membersihkan toilet, dan kategori utama lainnya.

Surfaktan adalah bahan utama deterjen, jadi deterjen dan surfaktan, selain kemampuan pencucian dan dekontaminasi yang sangat baik, tetapi juga memiliki kemampuan pembasahan, pembusaan, emulsifikasi, dispersi, dan pelarutan yang baik.

Deterjen awal sering kali menggunakan surfaktan tunggal, seperti natrium alkilbenzena sulfonat. Namun, saat ini deterjen umumnya menggunakan surfaktan kompleks, seperti kompleks anionik/anionik atau kompleks anionik/nonionik.

Karena efek sinergis antara campuran surfaktan, deterjen terkadang memiliki daya pembersih yang baik pada kandungan surfaktan yang lebih rendah.

Proses dekontaminasi deterjen dan mekanisme terkait telah diperkenalkan secara singkat. Inti dari proses ini adalah memisahkan kotoran dari permukaan benda yang akan dibersihkan melalui aksi fisikokimia surfaktan dan aksi mekanis dan berair dari aliran air, dan terbawa oleh aliran air.

Adsorpsi surfaktan pada permukaan kotoran dan substrat adalah kuncinya, dan ini mengarah ke serangkaian tindakan dasar berikut ini.

(1) Penetrasi dan pembasahan

Selama proses pencucian, molekul surfaktan dapat menyerap ke permukaan barang dan kotoran, mengurangi tegangan antar muka antara medium (umumnya air) dan permukaan barang, serta antara medium dan permukaan kotoran, sehingga medium dapat menembus antara permukaan barang dan kotoran dan menembus ke bagian dalam barang. Tindakan ini disebut tindakan penetrasi pembasahan deterjen.

Pembasahan cairan pencuci pada benda yang dicuci merupakan prasyarat untuk pencucian, jika cairan pencuci tidak dapat membasahi benda dengan baik, tidak ada efek pencucian dan dekontaminasi yang baik.

Efek penetrasi pembasahan dari larutan deterjen tidak hanya mengurangi daya tarik antara permukaan benda dan permukaan kotoran, tetapi juga mengurangi daya tarik antara partikel-partikel kotoran, yang dapat dipecah menjadi partikel-partikel halus dan terdispersi dalam medium ketika gaya eksternal yang sesuai diterapkan.

Gambar

(2) Emulsifikasi dan dispersi

Dalam proses pencucian, dengan bantuan efek fisik dan kimiawi dari surfaktan dan agitasi mekanis, minyak diemulsi untuk membentuk emulsi O/W. Sebagian besar larutan deterjen berair dengan kinerja yang baik memiliki tegangan permukaan dan tegangan antar muka minyak/air yang rendah.

Pada tegangan antarmuka yang lebih rendah pada saat yang sama, surfaktan pada antarmuka minyak / air membentuk kekuatan tertentu dari film antarmuka, dapat mencegah agregasi butiran minyak, kondusif untuk stabilitas emulsi, sehingga noda minyak tidak mudah mengendap di permukaan barang lagi. Ketegangan antarmuka yang lebih rendah kondusif untuk emulsifikasi kotoran cair, dan oleh karena itu kondusif untuk menghilangkan kotoran cair.

Tentu saja, selama proses pencucian, kotoran cair tidak langsung dilarutkan dalam media, tetapi di bawah aksi surfaktan, pertama-tama "digulung", dan kemudian terlepas dari permukaan artikel di bawah aksi aliran air dan diemulsi, dan ditangguhkan dalam media.

 

Gambar

(3) Efek pelarutan

Apabila konsentrasi surfaktan lebih tinggi daripada konsentrasi misel kritis (cmc), misel akan terbentuk di dalam larutan. Beberapa zat yang tidak larut atau sedikit larut dalam media air akan berdifusi ke dalam misel, sehingga meningkatkan kelarutannya dalam media secara signifikan, efek ini disebut pelarutan misel.

 

Gambar

Selain emulsifikasi, pelarutan minyak oleh misel dapat menjadi cara utama lainnya untuk menghilangkan kotoran cair dari permukaan padat.

Minyak non-kutub umumnya dilarutkan dalam inti misel non-kutub, sedangkan minyak kutub dapat dilarutkan dalam wilayah gugus kutub misel tergantung pada polaritas dan struktur molekulnya; dalam kasus minyak amfifilik, gugus kutub molekul minyak akan "berlabuh" pada permukaan misel, sedangkan rantai hidrokarbon non-kutub akan dimasukkan ke dalam inti misel.

Telah terbukti bahwa ketika konsentrasi surfaktan lebih besar dari cmc, peningkatan deterjen sangat terbatas, sehingga pelarutan bukanlah faktor utama dalam proses pencucian.

Namun, dalam proses pencucian lokal (seperti pakaian lokal yang diolesi sabun atau deterjen lain yang menggosok, serta mencuci muka dan tangan dengan sabun, dll.), Jumlah deterjen besar, konsentrasi surfaktan sangat tinggi, pada saat ini pelarutan minyak dalam misel akan menjadi mekanisme utama penghilangan minyak.

(4) Efek berbusa

Deterjen mengurangi tegangan antar muka antara medium/udara, sehingga udara dapat terdispersi dalam medium dan pembentukan gelembung. Pada saat yang sama surfaktan di permukaan gelembung membentuk lapisan padat pengaturan arah film, untuk menjaga stabilitas busa, yang berbusa, stabilisasi gelembung.

Meskipun busa dan efek pencucian tidak memiliki hubungan langsung yang sesuai, tetapi dapat menyerap kotoran yang telah terdispersi sehingga terkumpul di dalam busa, dan kotoran ke permukaan larutan media.

Namun, dalam proses pencucian industri atau proses pencucian mesin cuci keluarga, munculnya busa memberi kesan tidak terbilas dengan bersih, perlu menambah jumlah pembilasan, sehingga pencucian mesin sering kali menggunakan deterjen jenis busa rendah.