I. Diversi concetti sui tensioattivi.
La proprietà che può ridurre la tensione superficiale del solvente è chiamata attività superficiale e la sostanza con attività superficiale è chiamata sostanza attiva in superficie. La sostanza tensioattiva che può associare le molecole in soluzione acquosa e formare micelle e altri associati, che ha un'elevata attività superficiale e che ha anche le funzioni di bagnare, emulsionare, schiumare e lavare è chiamata tensioattivo. La forza di contrazione di un'unità di lunghezza sulla superficie di un liquido è chiamata tensione superficiale, e l'unità di misura è N-m-1.
In secondo luogo, le caratteristiche della struttura molecolare dei tensioattivi.
I tensioattivi sono composti organici con strutture e proprietà speciali in grado di modificare in modo significativo la tensione interfacciale tra due fasi o la tensione superficiale di un liquido (generalmente acqua), con proprietà quali bagnatura, schiumatura, emulsionamento e lavaggio. In termini di struttura, i tensioattivi hanno in comune il fatto che le loro molecole contengono due gruppi con proprietà diverse: un'estremità è costituita da un gruppo non polare a catena lunga, solubile in olio ma insolubile in acqua, noto anche come gruppo idrofobico o gruppo idrorepellente. L'altra estremità dello spettro è costituita da gruppi idrosolubili, ovvero gruppi idrofili o gruppi idrofilici. Il gruppo idrofilo deve essere sufficientemente idrofilo per garantire che l'intero tensioattivo sia solubile in acqua e abbia la solubilità necessaria. Poiché i tensioattivi contengono sia gruppi idrofili che idrofobici, sono quindi solubili in almeno una delle fasi liquide. Questa proprietà dei tensioattivi che sono sia idrofili che lipofili è chiamata anfifilicità.
Esiste anche un tipo speciale di tensioattivo bifilico sul mercato, di cui il tensioattivo a base di glicole kynurenina è uno dei prodotti rappresentativi. Presenta due coppie di gruppi idrofobici e idrofili strutturalmente legati da un gruppo funzionale simmetrico e relativamente "rigido" al centro. I tensioattivi barionici sono una schiuma meno stabile e hanno una specifica bagnabilità dinamica eccezionale.
Tipi di tensioattivi.
Il tensioattivo è una molecola anfifilica con gruppi idrofobici e idrofili. I gruppi idrofobici dei tensioattivi sono generalmente composti da lunghe catene di idrocarburi, come gli alchili a catena retta da C8 a C20, gli alchili a catena ramificata da C8 a C20, i gruppi alchilbenzenici (numero di atomi di carbonio da 8 a 16), ecc. La differenza tra i gruppi idrofobici risiede principalmente nelle modifiche strutturali delle catene di idrocarburi, che sono minori, mentre la varietà dei gruppi idrofili è maggiore. Pertanto, le proprietà dei tensioattivi sono principalmente legate ai gruppi idrofili, oltre che alle dimensioni e alla forma dei gruppi idrofobici. La struttura dei gruppi idrofili varia maggiormente rispetto a quella dei gruppi idrofobici, pertanto la classificazione dei tensioattivi si basa generalmente sulla struttura dei gruppi idrofili. Questa classificazione si basa sul fatto che il gruppo idrofilo sia ionico o meno e si divide in tensioattivi anionici, cationici, non ionici, anfoteri e altri tipi speciali.
IV. Caratteristiche della soluzione acquosa di tensioattivi.
1. Adsorbimento di tensioattivi all'interfaccia. Le molecole di tensioattivi hanno gruppi lipofili e idrofili, che sono molecole anfifiliche. L'acqua è un liquido fortemente polare e quando il tensioattivo viene disciolto in acqua, il suo gruppo idrofilo è attratto dall'acqua e si scioglie in essa secondo il principio della somiglianza e della repulsione di polarità, mentre il suo gruppo lipofilo viene respinto dall'acqua e la lascia. Più molecole (o ioni) di tensioattivo sono adsorbite all'interfaccia, maggiore è la riduzione della tensione interfacciale.
2. Alcune proprietà delle membrane di adsorbimento.
Pressione superficiale del film di adsorbimento: il tensioattivo viene adsorbito all'interfaccia gas-liquido per formare un film di adsorbimento, ad esempio posizionando un galleggiante mobile senza attrito all'interfaccia per spingere il film di adsorbimento lungo la superficie della soluzione; il film genera una pressione sul galleggiante, che viene chiamata pressione superficiale.
Viscosità superficiale: come la pressione superficiale, la viscosità superficiale è una proprietà esibita dal film molecolare insolubile. Sospensione di un anello di platino a filo metallico sottile, in modo che il suo piano di contatto con la superficie dell'acqua del serbatoio, ruotare l'anello di platino, l'anello di platino da parte della viscosità dell'acqua ostruzione, l'ampiezza gradualmente decadere, in base al quale la viscosità di superficie può essere misurata, il metodo è: prima in esperimenti di superficie di acqua pura, misurato il decadimento di ampiezza, e poi misurato la formazione di decadimento del film di superficie, dalla differenza tra i due per trovare la viscosità del film di superficie. La viscosità superficiale è strettamente correlata alla solidità del film superficiale, poiché il film di adsorbimento ha pressione superficiale e viscosità, deve avere elasticità. Più alta è la pressione superficiale e più alta è la viscosità del film adsorbito, più alto è il suo modulo elastico. Il modulo elastico del film di adsorbimento superficiale ha un significato importante nel processo di stabilizzazione della bolla.
3, La formazione di micelle.
La soluzione diluita di tensioattivo obbedisce alla legge seguita dalla soluzione ideale. La quantità di tensioattivo adsorbito sulla superficie della soluzione aumenta con la concentrazione della soluzione e quando la concentrazione raggiunge o supera un certo valore, la quantità di adsorbimento non aumenta più. Queste molecole di tensioattivo in eccesso sono disordinate nella soluzione o esistono in modo regolare. Sia la pratica che la teoria suggeriscono che esse formino degli associati all'interno della soluzione, chiamati micelle. La concentrazione minima di tensioattivi in soluzione per formare micelle è chiamata concentrazione critica di micelle (CMC).
HLB è l'abbreviazione di hydrophile lipophile balance (equilibrio idrofilo-lipofilo), che indica l'equilibrio idrofilo e lipofilo dei gruppi idrofili e lipofili del tensioattivo, ovvero il valore HLB del tensioattivo. Un valore HLB elevato indica una molecola fortemente idrofila e una molecola debolmente lipofila; viceversa, una molecola fortemente lipofila e una molecola debolmente idrofila. Il valore HLB è un valore relativo, quindi quando viene impostato il valore HLB, il valore HLB della cera di paraffina, che non ha proprietà idrofile, viene impostato a 0, mentre il valore HLB del sodio dodecil solfato, che è più solubile in acqua, viene impostato a 40. In generale, gli emulsionanti con valori HLB inferiori a 10 sono lipofili, mentre quelli con valori superiori a 10 sono idrofili. Pertanto, il punto di svolta da lipofilo a idrofilo è pari a circa 10.
In base al valore HLB del tensioattivo, si possono capire approssimativamente i possibili impieghi; come mostrato nella tabella a sinistra, il valore HLB del tensioattivo adatto all'uso come emulsionante acqua-olio è compreso tra 3,5 e 6, mentre il valore HLB dell'emulsionante acqua-olio va da 8 a 18.
Quinto, il ruolo dell'emulsificazione e della solubilizzazione.
Due liquidi reciprocamente insolubili, uno con particelle (goccioline o cristalli liquidi) disperse nell'altro, formano un sistema chiamato emulsione. La formazione dell'emulsione è dovuta all'aumento dell'area di confine dei due liquidi, per cui questo sistema è termodinamicamente instabile; per rendere stabile l'emulsione è necessario aggiungere un terzo componente - l'emulsionante - per ridurre l'energia interfacciale del sistema. L'emulsionante appartiene agli agenti tensioattivi e la sua funzione principale è quella di svolgere il ruolo di emulsione. L'emulsione in presenza di goccioline di quella fase è chiamata fase dispersa (o fase interna ﹑ discontinua), collegata a un'altra fase chiamata mezzo di dispersione (o fase esterna ﹑ continua).
1, emulsionanti ed emulsioni. L'emulsione comune, una fase è acqua o soluzione acquosa, l'altra fase non è miscibile con l'acqua sostanze organiche, come grasso, cera, ecc. Le emulsioni di acqua e olio formate, in base alla sua dispersione, possono essere divise in due tipi: olio disperso in acqua per formare un'emulsione olio-in-acqua, a O/W (olio/acqua): acqua dispersa in olio per formare un'emulsione olio-in-acqua, a W/O (acqua/olio) detto. Si possono formare anche emulsioni multiple complesse acqua-olio-in-acqua di tipo W/O/W e olio-acqua-in-olio di tipo O/W/O.
Gli emulsionanti sono utilizzati per stabilizzare le emulsioni riducendo la tensione interfacciale e formando film interfacciali a singola molecola. Nell'emulsione i requisiti dell'emulsionante sono: a, l'emulsionante deve essere in grado di adsorbire o arricchire l'interfaccia tra le due fasi, in modo da ridurre la tensione interfacciale; b, l'emulsionante deve conferire alle particelle la carica, in modo che la repulsione elettrostatica tra le particelle o la formazione di una viscosità stabile intorno alle particelle di un film protettivo particolarmente elevato. Pertanto, la sostanza utilizzata come emulsionante deve avere gruppi anfifilici per poter emulsionare, e i tensioattivi possono soddisfare questo requisito.
2, i metodi di preparazione delle emulsioni e i fattori che ne influenzano la stabilità.
Esistono due metodi di preparazione delle emulsioni: uno consiste nell'utilizzare il metodo meccanico per disperdere il liquido sotto forma di minuscole particelle in un altro liquido, utilizzato soprattutto nell'industria per preparare le emulsioni; l'altro consiste nel dissolvere il liquido allo stato molecolare in un altro liquido, per poi farlo riunire in modo appropriato e formare un'emulsione.
La stabilità di un'emulsione è la capacità di resistere all'aggregazione delle particelle che porterebbe alla separazione di fase. Le emulsioni sono sistemi termodinamicamente instabili con grandi energie libere. Pertanto, la cosiddetta stabilità di un'emulsione è in realtà il tempo necessario al sistema per raggiungere uno stato di equilibrio, cioè il tempo necessario alla separazione di uno dei liquidi nel sistema. Quando la membrana interfacciale contiene molecole organiche polari come alcoli grassi, acidi grassi e ammine grasse, la resistenza della membrana aumenta notevolmente. Questo perché, nello strato di adsorbimento interfacciale delle molecole emulsionanti e degli alcoli, degli acidi e delle ammine e di altre molecole polari, si forma un "complesso" che aumenta la resistenza della membrana interfacciale.
Più di due tipi di tensioattivi composti da emulsionanti sono chiamati emulsionanti misti. L'emulsionante misto adsorbito all'interfaccia acqua/olio, per azione intermolecolare, può formare complessi. A causa della forte azione intermolecolare, la tensione interfacciale si riduce significativamente, la quantità di emulsionante adsorbito all'interfaccia aumenta significativamente, la formazione della densità del film interfacciale aumenta, la resistenza aumenta.
La carica delle microsfere liquide ha un effetto significativo sulla stabilità dell'emulsione. Per emulsioni stabili, le perle liquide sono generalmente cariche. Quando si utilizza un emulsionante ionico, il suo gruppo lipofilo inserito nella fase oleosa e il gruppo idrofilo nella fase acquosa vengono adsorbiti all'interfaccia dello ione emulsionante, rendendo così le perle liquide cariche. Poiché l'emulsione delle microsfere liquide ha la stessa carica, esse si respingono l'un l'altra, non è facile che si agglomerino, per cui la stabilità aumenta. Si può notare che maggiore è la quantità di ioni emulsionanti adsorbiti sulle microsfere, maggiore è la carica, maggiore è la capacità di impedire l'agglomerazione delle microsfere, maggiore è la stabilità del sistema di emulsione.
La viscosità del mezzo di dispersione dell'emulsione ha una certa influenza sulla stabilità dell'emulsione. In generale, maggiore è la viscosità del mezzo di dispersione, maggiore è la stabilità dell'emulsione. Questo perché la viscosità del mezzo di dispersione è elevata e ha un forte effetto sul moto browniano delle microsfere liquide e rallenta la collisione tra le microsfere liquide, in modo che il sistema rimanga stabile. Di solito le sostanze polimeriche che possono essere disciolte nelle emulsioni possono aumentare la viscosità del sistema e rendere più elevata la stabilità delle emulsioni. Inoltre, i polimeri possono formare un forte film interfacciale, rendendo il sistema di emulsione più stabile.
In alcuni casi, l'aggiunta di polvere solida può anche stabilizzare l'emulsione. La polvere solida si trova nell'acqua, nell'olio o nell'interfaccia, a seconda dell'olio e dell'acqua sulla capacità di bagnare la polvere solida, se la polvere solida è completamente bagnata dall'acqua e può essere bagnata dall'olio, sarà trattenuta solo nell'interfaccia acqua-olio. La polvere solida non rende stabile l'emulsione perché la polvere raccolta all'interfaccia aumenta il film di interfaccia, che è simile alle molecole di emulsionante di adsorbimento dell'interfaccia, quindi più strettamente la polvere solida è disposta all'interfaccia, più stabile è l'emulsione.
Il tensioattivo ha la capacità di aumentare significativamente la solubilità di sostanze organiche insolubili o poco solubili dopo la formazione di micelle in una soluzione acquosa; la soluzione è trasparente in questo momento e questo effetto delle micelle è chiamato solubilizzazione. Il tensioattivo che può produrre la solubilizzazione è chiamato solubilizzatore e la materia organica che viene solubilizzata è chiamata materia solubilizzata.
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