I tensioattivi hanno una struttura chimica varia. Di conseguenza sono caratterizzati da un’intera gamma di proprietà e hanno molte funzioni diverse. Queste sostanze sono quindi utilizzate in quasi tutti i settori. Un singolo tensioattivo di solito ha proprietà multiple, che influiscono sul suo utilizzo finale. La corretta selezione delle materie prime è fondamentale nella produzione di tensioattivi. È questa fase che decide i parametri e le proprietà fisico-chimiche dei tensioattivi risultanti, e quindi il loro successivo utilizzo. Ad esempio, il bucato e gli agenti di lavaggio utilizzano tensioattivi con eccellenti proprietà schiumogene e bagnanti, mentre i cosmetici utilizzano tensioattivi che sono buoni emulsionanti.
Dopo la dissoluzione o la dispersione in un liquido, i tensioattivi vengono adsorbiti al confine di fase , modificando la tensione superficiale interfase. Questi composti hanno anche una qualità comune che consente loro di formare micelle . I tensioattivi sono caratterizzati dalla resistenza agli effetti degli alcali e dell’acqua dura.
Solubilità del tensioattivo in acqua
A causa della loro struttura idrofila-idrofoba , i tensioattivi sono solubili in molti solventi diversi.
La solubilità degli agenti tensioattivi ionici deriva dalla loro capacità di dissociarsi e produrre ioni. La solubilità dei tensioattivi non ionici appartenenti ai gruppi dei composti poliossietilenici o poliossipropilenici è invece causata dalla formazione di una rete di legami idrogeno tra molecole d’acqua e ossigeno etereo.
La solubilità nei composti polari deriva dalla presenza del frammento idrofilo nella molecola. Tuttavia, più lunga e meno ramificata è la catena idrocarburica, minore diventa la solubilità in acqua.
La solubilità in acqua dei tensioattivi può essere regolata modificando la loro struttura. L’aumento della solubilità è possibile introducendo nella molecola una porzione poliossietilenata o attraversando il punto di Krafft, che è una particolare temperatura al di sopra della quale si verifica un improvviso aumento di solubilità dovuto alla formazione di micelle. La solubilità in acqua di un agente tensioattivo può essere ridotta incorporando ossido di propilene nella sua struttura.
La solubilità in acqua del tensioattivo è anche direttamente correlata al valore dell’equilibrio idrofilo-lipofilo (HLB).
Tensione superficiale del tensioattivo
La tensione superficiale è una forza che agisce sul confine interfase . È una quantità costante caratteristica per ogni singolo liquido, fortemente dipendente dalla temperatura e dall’ambiente con cui il liquido è a contatto. La tensione superficiale è il risultato di uno squilibrio delle forze che agiscono sulle molecole situate sulla superficie del liquido e nella sua massa.
Le molecole di tensioattivo vengono adsorbite sulla superficie della fase liquida, posizionandosi con le loro teste polari verso la massa del liquido, e con la coda idrofoba verso l’aria. Come risultato di una tale disposizione delle molecole, la tensione superficiale di un liquido si riduce . Quando viene aggiunta una quantità maggiore di tensioattivo, le sue molecole si disperdono nell’intera massa del liquido in modo non ordinato, fino a superare la concentrazione micellare critica (CMC) . Le molecole iniziano quindi ad organizzarsi in forme sferiche chiamate micelle .
Quando la concentrazione di un tensioattivo in una soluzione aumenta, la sua tensione superficiale scende ad un certo livello e rimane costante, indipendentemente da qualsiasi successivo aumento di concentrazione. I tensioattivi non ionici sono i più efficaci nel ridurre la tensione superficiale.
Conoscere la concentrazione critica delle micelle è molto importante quando si utilizzano agenti tensioattivi. Questo perché determina la concentrazione soglia più adatta per l’uso in un prodotto per un dato tensioattivo.
I metodi che consentono di misurare la tensione superficiale includono il metodo stalagmometrico, il metodo della risalita capillare e il metodo della pressione massima delle bolle.
Proprietà schiumogene dei tensioattivi
Le proprietà di produzione di schiuma dei tensioattivi è la capacità dei tensioattivi di produrre schiuma. La loro misura è il volume di schiuma prodotta da una soluzione contenente tensioattivi in condizioni specifiche. Questa proprietà degli agenti tensioattivi deriva dalla loro capacità di disporsi in micelle e di stabilizzare le bolle d’aria.
Nei liquidi puri non si verifica alcun processo di formazione di schiuma. Per produrre schiuma si introduce aria o altro gas in un liquido con un opportuno tensioattivo. Le molecole di tensioattivo vengono quindi ordinate sul confine dell’interfase liquido-gas. Se la concentrazione di tensioattivo nella soluzione è elevata, le molecole del tensioattivo si dispongono perpendicolarmente al confine della fase liquido-gas. Le “teste” idrofile si posizionano verso la massa del liquido, mentre le “code” idrofobe puntano verso l’aria. Quando le bolle di gas vengono rilasciate dalla fase liquida, le molecole di tensioattivo vengono adsorbite sulla superficie del gas, formando una schiuma.
La capacità dei tensioattivi di formare schiume dipende da diversi fattori, come la concentrazione e la struttura chimica del tensioattivo, il valore del pH della soluzione, la presenza di altri ingredienti nella soluzione, nonché la durezza dell’acqua. Le molecole di tensioattivo con una catena alchilica lunga 12-15 atomi, o con una catena poliossietilenica contenente 10-12 gruppi ossietilene, hanno le migliori proprietà di formazione di schiuma. D’altra parte, le molecole di tensioattivo con una catena alchilica più corta di 10 o più lunga di 16 atomi di carbonio hanno le peggiori proprietà di formazione di schiuma.
La capacità schiumogena di ogni tensioattivo può essere regolata modificando la sua struttura. L’inserimento di una frazione di poliossipropilene nella molecola di un tensioattivo consente di ridurne la formazione di schiuma, mentre un’aggiunta di ossido di etilene aumenta la capacità di formazione di schiuma di un tensioattivo.
Le proprietà di produzione di schiuma dei tensioattivi svolgono un ruolo importante in molte applicazioni industriali , ad esempio flottazione minerale, produzione di detergenti e nell’industria alimentare. In alcuni casi, la formazione di schiuma è indesiderabile o addirittura dannosa. Questo fenomeno è un ostacolo principalmente nell’industria tessile, nei processi di lavaggio e lavaggio industriale e nelle lavatrici domestiche automatiche. Per rimuovere o limitare la capacità schiumogena del tensioattivo, è possibile utilizzare un’aggiunta di agenti antischiuma (ad es. preparazioni siliconiche o determinati agenti tensioattivi non ionici).
I tensioattivi che appartengono agli agenti antischiuma hanno un valore di equilibrio idrofilo-lipofilo compreso tra 1,5 e 3. Quando viene testata la capacità di produzione di schiuma dei tensioattivi, vengono valutate la stabilità e la densità della schiuma oltre al suo volume.
Proprietà bagnanti dei tensioattivi
La bagnabilità è un’altra qualità caratteristica degli agenti tensioattivi. Grazie alla capacità delle molecole di ridurre la tensione superficiale tra un liquido e un solido, e di rimuovere l’aria dalle superfici solide, la deliquescenza delle goccioline di liquido sulla superficie è notevolmente aumentata. In altre parole, la bagnabilità è la capacità delle molecole dei tensioattivi e delle loro soluzioni di diffondersi sulla superficie su cui vengono applicate. Un risultato di questo fenomeno è una barriera di energia abbassata tra la soluzione e la superficie bagnata. Questo fenomeno porta ad una maggiore area di contatto, che migliora l’efficacia e la velocità di un dato processo.
Quando si confronta un liquido puro con uno con l’aggiunta di un tensioattivo, è chiaramente visibile una differenza nelle aree occupate da entrambe le gocce.
Grazie alle proprietà bagnanti dei tensioattivi, i tessuti possono essere bagnati con acqua più velocemente , il che accelera il processo di lavaggio. Questa qualità è utilizzata anche in agrochimica (ad es. bagnatura della superficie fogliare con il liquido spruzzato), nell’industria delle vernici e delle vernici e nell’industria delle costruzioni.
La quantità che descrive la capacità di un liquido di bagnare i solidi è l’angolo di bagnatura , che è l’angolo tra la superficie bagnata e la goccia di bagnatura. Quando l’angolo è uguale a zero, significa bagnatura totale di una data superficie dalla goccia di liquido. Un angolo 0° < Θ < 90° è caratteristico per liquidi parzialmente bagnanti, mentre angoli 90° < < 180° indicano liquidi parzialmente non bagnanti. I liquidi completamente privi di capacità di bagnatura hanno un angolo di bagnatura di 180°.
Emulsione
L’emulsione comporta la formazione di una sospensione di due sostanze mutuamente insolubili e immiscibili, di cui almeno una liquida. Come risultato di questo processo si forma un sistema dispersivo eterogeneo , una cosiddetta emulsione . Se entrambi i componenti sono liquidi, l’emulsione è una sospensione di goccioline di una fase nell’altra. Un liquido è la fase continua o esterna, l’altro è la fase dispersa o interna. Tuttavia, affinché un tale sistema sia stabile, è necessario utilizzare un tensioattivo, che avvolga le goccioline di un liquido, separandole dall’altra fase e impedendo loro di combinarsi in aggregati più grandi. Ciò avviene grazie all’ordinamento delle molecole dei tensioattivi. Si dispongono con la testa idrofila verso il solvente polare, e con la coda idrofoba verso la fase apolare. Si formano così le emulsioni olio-in-acqua , dove la fase continua è acqua polare con una fase oleosa non polare dispersa, o viceversa – emulsioni W/O, cioè acqua-in-olio .
Il termine emulsione non può essere utilizzato per descrivere miscele di gas o solidi in liquidi, sospensioni di composti d’argento in liquidi (cosiddetta emulsione fotografica) e miscele utilizzate nei motori a combustione (cosiddetta emulsione aria-carburante).
L’affinità dell’emulsionante alla fase oleosa e alla fase acquosa è data dal parametro HLB (equilibrio idrofilo-lipofilo). Il suo valore determina se uno specifico agente tensioattivo è migliore per stabilizzare le emulsioni acqua-in-olio o olio-in-acqua. Gli emulsionanti con un HLB inferiore a 10 stabilizzano solitamente le emulsioni acqua-in-olio, mentre gli emulsionanti con un HLB maggiore di 10 stabilizzano le emulsioni olio-in-acqua.
Durante un processo di emulsionamento, la stabilità delle emulsioni risultanti e la loro facilità di formatura sono questioni importanti. Gli emulsionanti possono avere una serie di proprietà e applicazioni utili per la funzione prevista. I requisiti posti agli emulsionanti includono: riduzione della tensione superficiale al confine tra le fasi, prevenzione del fenomeno di inversione, stabilizzazione dell’emulsione e assenza di tossicità o odore. Di solito, i singoli emulsionanti possiedono solo alcune delle proprietà desiderate, quindi viene spesso utilizzata una miscela di emulsionanti adatti.
La capacità di formare emulsioni consente l’utilizzo dei tensioattivi in molti settori. Con questo fenomeno siamo in grado di produrre cosmetici, vernici, adesivi, vernici e plastiche. Inoltre, i tensioattivi sono utilizzati come emulsionanti nei settori metallurgico, alimentare, dell’estrazione di risorse, del carburante, tessile, chimico, edile e in molti altri.
detergenza
La detergenza è un processo di rimozione delle impurità . Avviene con la partecipazione di tensioattivi, che circondano le particelle di sporco, posizionandosi con le code non polari, cioè le loro catene idrocarburiche verso di esse. Successivamente, rompono lo sporco dalla superficie e lo circondano da tutti i lati, formando una micella . Un’emulsione così prodotta permette di rimuovere facilmente le impurità.
Si noti che i tensioattivi mostrano un effetto sinergico se combinati con altri agenti tensioattivi. Il sinergismo è un fenomeno in cui l’effetto di due o più componenti è maggiore della somma dei loro effetti individuali presi separatamente.
