Caratteristiche della struttura molecolare di Tensioattivi

Tensione superficiale e sostanze tensioattive

I soluti che si adsorbono positivamente in una soluzione acquosa riducono la tensione superficiale dell'acqua, mentre i soluti che si adsorbono negativamente aumentano la tensione superficiale dell'acqua.

Materiali attivi in superficie (surface active materials): un ampio gruppo di sostanze in grado di produrre un adsorbimento positivo in soluzione acquosa e quindi di ridurre significativamente la tensione superficiale dell'acqua. Ad esempio, etanolo, acido propionico, sodio dodecil solfato e così via.

La natura di tali sostanze di ridurre la tensione superficiale dell'acqua è chiamata attività superficiale (surfaceactivity); di conseguenza, le sostanze che non possono produrre un adsorbimento positivo e che non possono ridurre la tensione superficiale dell'acqua sono chiamate sostanze non superficiali, come i sali inorganici, il glucosio e così via.

Tensioattivi (tensioattivi): tra le sostanze tensioattive, esiste una classe di sostanze che in una concentrazione molto bassa possono far diminuire significativamente la tensione superficiale dell'acqua, ma quando la concentrazione aumenta fino a un certo valore, la tensione superficiale non diminuisce più o diminuisce molto lentamente; questa classe di sostanze tensioattive è chiamata tensioattivi (tensioattivi), come il dodecil solfato di sodio, il dodecil trimetil ammonio bromuro e il nonil bromuro. Tensioattivi, come il sodio dodecil solfato, il dodeciltrimetilammonio bromuro e il nonilfenolo poliossietilene (9) etere e altre sostanze.

Struttura molecolare dei tensioattivi

I primi tensioattivi utilizzati dall'uomo erano sali di sodio (o di potassio) degli acidi grassi, comunemente noti come saponi.

Nei primi tempi si mescolavano grassi vegetali e animali e una soluzione acquosa di cenere d'erba e si riscaldava per ottenere il sapone.

In seguito, con il progresso dell'industria chimica, la soda caustica (NaOH), persone attraverso la saponificazione alcalina di grassi e oli per produrre sapone.

Negli anni '20 e '30, la prima guerra mondiale portò a una carenza di grassi e oli; per sviluppare i sostituti del sapone, in Germania nacquero i tensioattivi sintetici, come gli alchilbenzensolfonati, gli alcoli grassi solfati, ecc. Questi tensioattivi hanno molecole comuni.

Queste molecole di tensioattivi hanno una struttura molecolare comune, cioè contengono gruppi idrofili e lipofili; ad esempio, il gruppo idrofilo del sapone è -COONa, mentre nell'alchilbenzensolfonato di sodio il gruppo idrofilo è -SO3Na, e i gruppi lipofili sono tutti catene alchiliche lunghe.

Al giorno d'oggi, questo tipo di molecola è chiamato molecola anfifilica, in cui il gruppo idrofilo è ionico La struttura della molecola anfifilica è molto simile ai fiammiferi, la parte della palla è il gruppo idrofilo, la parte del gambo è il gruppo alchilico, è il gruppo lipofilo.
Come mostrato nella Figura 1

Figura 1 Diagramma schematico del modello a sfera e bastone dei tensioattivi e della loro disposizione direzionale all'interfaccia acqua/aria (olio).

Il gruppo idrofilo fa sì che le molecole abbiano una certa solubilità in acqua.
Il gruppo lipofilo fa sì che questo tipo di molecole abbia una certa solubilità in olio.

Quando queste molecole sono a contatto con l'acqua, il gruppo idrofilo della molecola ha una forte idratazione con le molecole d'acqua e porta alla dissoluzione, mentre il gruppo lipofilo della molecola ha una forte tendenza a sfuggire dall'ambiente acquoso a causa della mancanza di affinità con le molecole d'acqua; questi due effetti diametralmente opposti fanno sì che le molecole si arricchiscano nell'interfaccia acqua/aria o nell'interfaccia acqua/olio, con il gruppo idrofilo nella fase acquosa e il gruppo lipofilo nella fase aria o nella fase olio, nell'interfaccia. disposizione orientata, come mostrato nella Fig. 1.

Il risultato combinato è un adsorbimento positivo del tensioattivo in soluzione acquosa, con conseguente diminuzione significativa della tensione superficiale dell'acqua o della tensione all'interfaccia olio/acqua.

La struttura molecolare dei tensioattivi ha un elemento in comune, la sua molecola è composta da due parti: una parte è amante dei solventi; l'altra parte è amante dei solventi.
Una parte è pro-solvente; l'altra parte odia i solventi (idrofobica).

Poiché i tensioattivi sono solitamente utilizzati in soluzioni acquose, le due parti del tensioattivo sono spesso chiamate gruppo idrofilo (parte polare) e gruppo idrofobo (parte non polare); il gruppo idrofobo è anche chiamato gruppo lipofilo.
Come mostrato nella Fig. 2 (a).

Figura 2 Schema della struttura molecolare dei tensioattivi (a)
Dimensione di CH3 (CH2)11SO4 (b)

Prendiamo come esempio un tensioattivo comune, il sodio dodecil solfato [CH3(CH2)11SO4Na].
In soluzione acquosa, CH3(CH2)11 SO4Na si ionizza in CH3(CH2)11SO4 e Na+, ed è CH3(CH2)11SO4, noto come ione tensioattivo, a svolgere il ruolo principale.

È composto dal gruppo non polare CH3(CH2)11-, che è un gruppo idrofobo (lipofilo), e da quello polare SO4, che è un gruppo idrofilo. Il Na+, invece, è chiamato controione. La grandezza del CH3 (CH2)11SO4 è mostrata nella Fig. 2 (b).

Questa particolare struttura dei tensioattivi è chiamata struttura anfifilica (il gruppo idrofilo è idrofilo e il gruppo idrofobo è lipofilo). I tensioattivi sono quindi una classe di composti anfifilici.

Il gruppo idrofobico di un tensioattivo è generalmente composto da un gruppo idrocarburico a catena lunga, dominato da una catena idrocarburica, mentre il gruppo idrofilo (gruppo polare, gruppo di testa) presenta un'ampia varietà di gruppi, compresi gruppi ionici carichi e gruppi polari non carichi.

 

Tutte le molecole di sostanze tensioattive hanno una struttura molecolare anfifilica. In termini di soluzione acquosa, l'idrofilia del gruppo idrofilo e la lipofilia del gruppo lipofilo devono essere fondamentalmente corrispondenti per avere un'attività superficiale significativa; un lato troppo forte o troppo debole indebolirà significativamente le molecole anfifiliche di attività superficiale.

Quando il numero di atomi di carbonio è inferiore a 8, l'idrofilia è troppo forte; ad esempio, l'acido formico, l'acido acetico, l'acido propionico e l'acido butirrico hanno una struttura anfifilica, ma hanno solo un'attività superficiale e non possono essere tensioattivi.

La catena idrofobica di un tensioattivo in senso generale deve essere sufficientemente grande, generalmente superiore a 8 atomi di carbonio (non esiste un limite rigido).

Al contrario, quando il numero di atomi di carbonio è superiore a 20, la lipofilia è troppo forte, la solubilità in acqua è molto ridotta e non può essere un tipico tensioattivo. Ad esempio, nel caso del sapone, gli acidi grassi diventano buoni tensioattivi quando il loro numero di atomi di carbonio è compreso tra 8 e 20.

 

Funzioni di base dei tensioattivi

I tensioattivi sono prodotti chimici fini funzionali.

 

Le funzioni principali dei tensioattivi sono due:

 

Il primo è

 

Assorbimento sulla superficie (confine), formando un film di adsorbimento (generalmente monomolecolare);.

 

Il secondo è

 

Auto-polimerizzazione all'interno della soluzione, formando molti tipi di assemblaggi molecolarmente ordinati.

 

Da queste due funzioni, una serie di altre

funzioni applicative.

 

L'adsorbimento dei tensioattivi sulla superficie determina una riduzione della tensione superficiale e un cambiamento nella chimica di superficie del sistema.

 

Il tensioattivo ha quindi funzioni schiumogene, antischiuma, emulsionanti, demulsionanti, disperdenti, flocculanti, bagnanti, spalmanti, penetranti, lubrificanti, antistatiche e battericide.

 

I tensioattivi si auto-polimerizzano all'interno della soluzione per formare varie forme di assemblaggi molecolarmente ordinati, come micelle, anticolloidi, vescicole, cristalli liquidi e così via. Questi assemblaggi molecolarmente ordinati presentano un'ampia varietà di funzioni applicative.

La più elementare di queste è la funzione solubilizzante (nota anche come solubilizzazione) delle micelle.

 

Sulla base dell'effetto solubilizzante delle micelle e di altri assemblaggi molecolari ordinati, sono state derivate funzioni quali la catalisi delle micelle, la formazione di microemulsioni e l'uso come mezzi di reazione e microreattori spaziali, vettori di farmaci e così via.

 

Anche la funzione detergente dei tensioattivi è in gran parte legata all'effetto solubilizzante delle micelle sull'olio.

 

Le dimensioni delle composizioni molecolari ordinate di tensioattivi o lo spessore degli strati molecolari aggregati si avvicinano alla scala dei nanometri, il che può fornire un luogo e condizioni adatte alla formazione di particelle ultrafini con "effetto quantico".

Pertanto, gli assemblaggi molecolari ordinati di tensioattivi possono essere utilizzati come modelli (funzione di template) per la preparazione di particelle ultrafini (ad esempio, nanoparticelle).

 

La particolare struttura degli assemblaggi molecolarmente ordinati li rende ottimali per la modellazione dei biofilm.

Gli assemblaggi molecolari ordinati possono anche essere riorganizzati per formare strutture ordinate avanzate (strutture supramolecolari), le cui soluzioni presentano un comportamento di fase nuovo e complesso o proprietà reologiche insolite, proprietà ottiche, reattività chimica e così via. Hanno quindi altre funzioni applicative speciali.

Principi di applicazione dei tensioattivi nei detergenti

Applicazione dei tensioattivi nei settori tradizionali

I tensioattivi possiedono una serie di proprietà superiori come quelle di bagnare, emulsionare, disperdere, solubilizzare, schiumare e antischiuma, penetrare, lavare, essere antistatici, battericidi, ecc. Hanno un'ampia gamma di applicazioni sia nei settori civili tradizionali come detergenti, cosmetici, prodotti per l'igiene personale, ecc. sia in quelli industriali e tecnologici come tessile, alimentare, medicina e pesticidi, vernici e rivestimenti, edilizia, flottazione dei minerali, energia, pasta di legno e carta, concia e altri settori.

Negli ultimi anni, lo sviluppo delle alte e nuove tecnologie sta cambiando di giorno in giorno e i tensioattivi, con le loro funzioni uniche nelle nanotecnologie, nella protezione dell'ambiente, nei nuovi materiali, nelle scienze della vita e in altri campi ad alta tecnologia, diventano prodotti indispensabili.

Principio di applicazione dei tensioattivi nei detergenti

I detergenti sono prodotti chimici di uso quotidiano formulati con tensioattivi, detergenti e ausiliari per rimuovere lo sporco dalla superficie degli oggetti e raggiungere lo scopo di pulire e detergere.

Attualmente, i detergenti comunemente utilizzati in campo civile comprendono principalmente il detersivo per il bucato e l'ammorbidente per la pulizia dei vestiti, il detersivo e il detersivo per i piatti per la pulizia di stoviglie, frutta e verdura, lo sgrassatore per la cucina, il detergente per la pulizia del water e altre categorie principali.

Il tensioattivo è l'ingrediente principale del detergente, per cui il detergente e il tensioattivo, oltre a possedere un'eccellente capacità di lavaggio e decontaminazione, hanno anche una buona capacità di bagnare, schiumare, emulsionare, disperdere e solubilizzare.

I primi detergenti utilizzavano spesso un singolo tensioattivo, come il sodio alchilbenzensolfonato. Oggi, invece, i detergenti utilizzano generalmente tensioattivi complessi, come il complesso anionico/anionico o il complesso anionico/nonionico.

Grazie all'effetto sinergico tra le miscele di tensioattivi, i detergenti hanno talvolta una buona detergenza anche a bassi contenuti di tensioattivi.

Il processo di decontaminazione con detergenti e il relativo meccanismo sono stati brevemente introdotti. Il cuore del processo consiste nel separare lo sporco dalla superficie dell'oggetto da pulire attraverso l'azione fisico-chimica dei tensioattivi e l'azione meccanica e acquosa del flusso d'acqua, per poi essere trasportato via dal flusso d'acqua.

L'adsorbimento del tensioattivo sulla superficie dello sporco e del substrato è la chiave, e porta alla seguente serie di azioni fondamentali.

(1) Penetrazione e bagnatura

Durante il processo di lavaggio, le molecole dei tensioattivi sono in grado di adsorbire sulla superficie dell'articolo e dello sporco, riducendo la tensione interfacciale tra il mezzo (generalmente acqua) e la superficie dell'articolo, nonché tra il mezzo e la superficie dello sporco, in modo che il mezzo sia in grado di penetrare tra la superficie dell'articolo e lo sporco e di penetrare all'interno dell'articolo. Questa azione è chiamata azione di bagnatura e penetrazione del detergente.

La bagnatura del liquido di lavaggio sull'articolo è un prerequisito per il lavaggio; se il liquido di lavaggio non riesce a bagnare bene l'articolo, non si ottiene un buon effetto di lavaggio e decontaminazione.

L'effetto di penetrazione umettante della soluzione detergente non solo riduce l'attrazione tra la superficie dell'articolo e la superficie dello sporco, ma riduce anche l'attrazione tra le particelle dello sporco, che possono essere spezzate in particelle fini e disperse nel mezzo quando viene applicata una forza esterna appropriata.

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(2) Emulsione e dispersione

Nel processo di lavaggio, con l'aiuto degli effetti fisici e chimici dei tensioattivi e dell'agitazione meccanica, l'olio viene emulsionato per formare un'emulsione O/W. La maggior parte delle soluzioni acquose di detergenti con buone prestazioni ha una bassa tensione superficiale e tensione interfacciale olio/acqua.

Allo stesso tempo, la tensione interfacciale più bassa consente al tensioattivo nell'interfaccia olio/acqua di formare una certa forza del film interfacciale, di impedire l'aggregazione delle microsfere d'olio e di favorire la stabilità dell'emulsione, in modo che le macchie d'olio non si depositino facilmente sulla superficie dei prodotti. La minore tensione interfacciale favorisce l'emulsione dello sporco liquido e quindi la sua rimozione.

Naturalmente, durante il processo di lavaggio, lo sporco liquido non si dissolve direttamente nel mezzo, ma sotto l'azione del tensioattivo viene prima "arrotolato", quindi staccato dalla superficie dell'articolo sotto l'azione del flusso d'acqua, emulsionato e sospeso nel mezzo.

 

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(3) Effetto solubilizzante

Quando la concentrazione di tensioattivi è superiore alla concentrazione critica di micelle (cmc), nella soluzione si formano micelle. Alcune sostanze insolubili o leggermente solubili nel mezzo acquoso si diffondono nelle micelle, aumentando così in modo significativo la loro solubilità nel mezzo; questo effetto è chiamato solubilizzazione delle micelle.

 

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Oltre all'emulsificazione, la solubilizzazione dell'olio da parte delle micelle può essere l'altro modo principale per rimuovere lo sporco liquido dalle superfici solide.

Gli oli non polari sono generalmente solubilizzati nel nucleo non polare delle micelle, mentre gli oli polari possono essere solubilizzati nella regione del gruppo polare del guscio micellare, a seconda della loro polarità e struttura molecolare; nel caso degli oli anfifilici, il gruppo polare della molecola di olio sarà "ancorato" alla superficie della micella, mentre la catena idrocarburica non polare sarà inserita nel nucleo micellare.

È stato dimostrato che quando la concentrazione di tensioattivi è superiore a cmc, l'aumento della detergenza è molto limitato, quindi la solubilizzazione non è un fattore importante nel processo di lavaggio.

Tuttavia, nel processo di lavaggio locale (come lo strofinamento degli indumenti con sapone o altri detergenti, il lavaggio del viso e delle mani con sapone, ecc.), la quantità di detergente è elevata, la concentrazione di tensioattivi è molto alta, quindi la solubilizzazione dell'olio nelle micelle sarà il principale meccanismo di rimozione dell'olio.

(4) Effetto schiumogeno

Il detergente riduce la tensione interfacciale tra il mezzo e l'aria, in modo che l'aria possa essere dispersa nel mezzo e la formazione di bolle. Allo stesso tempo, il tensioattivo nella superficie delle bolle forma uno strato solido di disposizione direzionale del film, per mantenere la stabilità della schiuma, che è schiumosa, stabilizzazione delle bolle.

Sebbene la schiuma e l'effetto di lavaggio non abbiano una relazione diretta corrispondente, è in grado di adsorbire lo sporco disperso in modo che si raccolga nella schiuma e lo sporco sulla superficie della soluzione media.

Tuttavia, nel processo di lavaggio industriale o in quello delle lavatrici familiari, la comparsa di schiuma dà l'impressione di non essere risciacquata, per cui è necessario aumentare il numero di risciacqui, per cui il lavaggio in lavatrice viene spesso effettuato con detersivi a bassa schiuma.