Surfaktanty posiadają zróżnicowaną budowę chemiczną. Dzięki temu charakteryzują się wieloma właściwościami i posiadają wiele zróżnicowanych funkcji. Substancje te są więc wykorzystywane niemal w każdej gałęzi przemysłu. Jeden surfaktant posiada zazwyczaj kilka właściwości, które wpływają na jego docelowe zastosowanie. W produkcji surfaktantów kluczowym elementem jest odpowiedni dobór surowców. To właśnie na tym etapie decyduje się o parametrach i właściwościach fizykochemicznych produkowanych surfaktantów, a tym samym o ich późniejszym zastosowaniu. Np. do produkcji środków piorących oraz myjących wykorzystywane są surfaktanty o doskonałych właściwościach pianotwórczych oraz zdolności zwilżania, natomiast w kosmetykach zastosowanie znajdują surfaktanty będące dobrymi emulgatorami.
Surfaktanty po rozpuszczeniu lub zdyspergowaniu w cieczy ulegają adsorpcji na granicy faz, zmieniając międzyfazowe napięcie powierzchniowe. Związki te posiadają również wspólną cechę polegającą na zdolności do tworzenia miceli. Surfaktanty charakteryzują się opornością na działanie alkaliów i twardej wody.
Rozpuszczalność sukfaktantów w wodzie
Surfaktanty, ze względu na swoją hydrofilowo-hydrofobową strukturę, rozpuszczają się w wielu rozpuszczalnikach.
Rozpuszczalność jonowych związków powierzchniowo czynnych wynika z ich zdolności do dysocjacji i tworzenia jonów. Rozpuszczalność niejonowych surfaktantów z grupy związków polioksyteylenowanych lub polioksypropylenowanych jest natomiast spowodowana powstawaniem sieci wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody a tlenem eterowym.
Rozpuszczalność w związkach polarnych wynika z obecności w cząsteczce fragmentu hydrofilowego. Jednak im dłuższy i mniej rozgałęziony jest łańcuch węglowodorowy, tym rozpuszczalność w wodzie maleje.
Rozpuszczalność surfaktantów w wodzie można regulować poprzez modyfikacje ich budowy. Zwiększenie rozpuszczalności jest możliwe poprzez wprowadzenie do cząsteczki ugrupowania polioksyetylenowego lub po przekroczeniu punktu Kraffta, czyli pewnej temperatury, powyżej której następuje nagły wzrost rozpuszczalności na skutek tworzenia się micel. Rozpuszczalność związku powierzchniowo czynnego w wodzie można zmniejszyć, wbudowując w jego strukturę cząsteczki tlenku propylenu.
Rozpuszczalność surfaktantów w wodzie jest także ściśle powiązane z wartością współczynnika równowagi hydrofilowo – hydrofobowym (HLB).
Napięcie powierzchniowe surfaktantów
Napięcie powierzchniowe są to siły działające na powierzchni międzyfazowej. Jest stałą i charakterystyczną wielkością dla każdej cieczy, zależną silnie od temperatury oraz od środowiska, z którym ciecz ma kontakt. Napięcie powierzchniowe jest wynikiem niezrównoważenia sił działających na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy i wewnątrz niej.
Cząsteczki surfaktantów ulegają adsorpcji na powierzchni fazy ciekłej, orientując się polarną głową do wnętrza cieczy, a hydrofobowym ogonem w stronę powietrza. W wyniku takiego ustawienia cząsteczek napięcie powierzchniowe cieczy obniża się. Podczas dodawania większych ilości surfaktantu jego cząsteczki rozpraszają się w całej objętości cieczy w nieuporządkowany sposób, aż do momentu przekroczenia krytycznego stężenia micelizacji (CMC). Wówczas cząsteczki zaczynają organizować się w kuliste formy zwane micelami.
Podczas wzrostu stężenia surfaktantu w roztworze jego napięcie powierzchniowe obniża się do pewnego poziomu i pozostaje stałe niezależnie od dalszego wzrostu koncentracji substancji. Niejonowe związki powierzchniowo czynne najskuteczniej obniżają napięcie powierzchniowe.
Znajomość krytycznego stężenia micelizacji jest bardzo ważna podczas stosowania środków powierzchniowo czynnych. Spowodowane jest to tym, że określa stężenie graniczne używanego surfaktantu, które jest najodpowiedniejsze do zastosowania w produkcie.
Do metod umożliwiających pomiar napięcia powierzchniowego zalicza się, między innymi metodę stalagmometryczną, metodę wzniesienia kapilarnego oraz metodę maksymalnego ciśnienia pęcherzyka.
Zdolności pianotwórcze surfaktantów
Właściwości pianotwórcze to zdolność surfaktantów do tworzenia piany. Ich miarą jest objętość piany wytworzona z roztworu zawierającego surfaktant w określonych warunkach. Ta właściwość związków powierzchniowo czynnych wynika z umiejętności porządkowania się w micele i stabilizacji pęcherzyków powietrza.
W czystych cieczach nie zachodzi proces spieniania. W celu wytworzenia piany, do cieczy z odpowiednim surfaktantem wprowadza się powietrze lub inny gaz. Następuje wtedy porządkowanie cząsteczek surfaktantu na powierzchni międzyfazowej ciecz-gaz. W przypadku dużego stężenia surfaktantu w roztworze, cząsteczki związku powierzchniowo czynnego układają się w sposób prostopadły w stosunku do granicy faz ciecz-gaz. Hydrofilowe „głowy” ustawiają się w kierunku cieczy, natomiast hydrofobowe „ogony” w kierunku powietrza. W momencie uwalniania się z fazy ciekłej pęcherzyków gazu cząsteczki surfaktantów adsorbowane są na powierzchni gazu, tworząc pianę.
Zdolność surfaktantów do tworzenia piany zależy od kilku czynników, takich jak: stężenie oraz budowa chemiczna użytego związku powierzchniowo czynnego, wartości pH roztworu, obecności innych składników w roztworze, a także twardości wody. Cząsteczki surfaktantów o łańcuchu alkilowym o długości 12-15 atomów oraz o łańcuchu polioksyetylenowym, zawierającym od 10 do 12 grup oksyetylenowych posiadają najlepsze właściwości pianotwórcze. Z kolei cząsteczki surfaktantów o łańcuchu alkilowym poniżej 10 i powyżej 16 atomów węgla mają najgorsze zdolności do tworzenia piany.
Piennością każdego surfaktantu można sterować, dokonując modyfikacji w jego strukturze. Wprowadzenie do cząsteczki związku powierzchniowo czynnego ugrupowania polioksypropylenowego pozwala zmniejszyć jego pienienie, a dodatek tlenku etylenu zwiększa zdolności pianotwórcze surfaktantu.
Zdolności pianotwórcze surfaktantów odgrywają ważną rolę w wielu zastosowaniach przemysłowych, np. flotacji minerałów, produkcji detergentów czy w przemyśle spożywczym. W niektórych przypadkach pienienie jest niepożądane, a nawet szkodliwe. Zjawisko to przeszkadza głównie w procesach przemysłu włókienniczego, przemysłowego mycia i prania, a także w automatycznych pralkach domowych. W celu pozbycia się lub ograniczenia pienności surfaktantów można zastosować dodatek związków antypiennych (np. preparatów silikonowych lub niektórych niejonowych związków powierzchniowo czynnych).
Surfaktanty należące do związków antypiennych posiadają wartość współczynnika równowagi hydrofilowo – hydrofobowym w przedziale 1,5 – 3. Podczas badania zdolności pianotwórczych surfaktantów, oprócz objętości wytworzonej piany, oceniana jest jej trwałość oraz gęstość.
Właściwości zwilżające surfaktantów
Zwilżalność jest kolejną charakterystyczną cechą związków powierzchniowo czynnych. Dzięki zdolności cząsteczek do obniżania napięcia powierzchniowego pomiędzy cieczą a ciałem stałym oraz do usuwania powietrza z powierzchni ciał stałych, zwiększa się znacząco rozpływalność kropli cieczy na powierzchni. Inaczej mówiąc, zwilżalność to umiejętność rozprzestrzeniania się cząsteczek surfaktantów oraz ich roztworów na powierzchni, na którą zostały nałożone. Wynikiem tego zjawiska jest obniżenie bariery energetycznej między roztworem a zwilżaną powierzchnią. Zjawisko to prowadzi do zwiększenia powierzchni kontaktu , co wpływa na skuteczność i szybkość zachodzenia danego procesu (np. prania).
Porównując czystą ciecz z cieczą z dodatkiem surfaktantem widocznie zauważalna jest różnica zajmowanych powierzchni przez obie krople.
Dzięki właściwościom zwilżającym surfaktantów możliwe jest szybkie zmoczenie tkaniny wodą, co przyspiesza proces prania. Cecha ta wykorzystywana jest również w agrochemii (np. zwilżanie powierzchni liści cieczą opryskową), w przemyśle farb i lakierów, a także w przemyśle budowlanym.
Wielkość, która opisuje zdolność do zwilżania ciał stałych przez ciecz to kąt zwilżania Θ, czyli kąt pomiędzy powierzchnią zwilżaną, a kroplą zwilżającą. W przypadku, kiedy kąt ma wartość równą zeru, oznacza to całkowite zwilżanie danej powierzchni przez kroplę cieczy. Kąt pomiędzy 0° < Θ < 90° charakterystyczny jest dla cieczy częściowo zwilżających, natomiast kąt pomiędzy 90° < Θ < 180° oznacza ciecze częściowo niezwilżające. Ciecze całkowicie nieposiadające zdolności zwilżających wykazują kąt zwilżania Θ o wartości 180°.
Emulgowanie
Emulgowanie polega na wytworzeniu zawiesiny dwóch nierozpuszczalnych w sobie, niemieszających się substancji, z których przynajmniej jedna jest cieczą. W wyniku tego procesu powstaje niejednorodny układ dyspersyjny, czyli tak zwana emulsja. Jeśli oba składniki są cieczami, emulsją jest zawiesiną kropelek jednej fazy w drugiej. Wówczas jedna z cieczy jest fazą ciągłą – zewnętrzną, a druga zdyspergowaną – wewnętrzną. Jednak, aby taki układ był stabilny, konieczne jest zastosowanie surfaktantu, który otoczy krople jednej cieczy, odseparowując je od drugiej fazy i uniemożliwiając połączenie ich w większe agregaty. Dzieje się tak dzięki odpowiedniemu uporządkowaniu się cząsteczek związku powierzchniowo czynnego. Ustawiają się one hydrofilową głową w stronę polarnego rozpuszczalnika, a hydrofobowym ogonem w stronę fazy niepolarnej. W ten sposób powstają emulsje olej w wodzie, gdzie fazą ciągłą jest polarna woda ze zdyspergowaną niepolarną fazą olejową lub analogicznie – emulsje W/O, czyli woda w oleju.
Emulsją nie można określić mieszanin gazów i ciał stałych w cieczy, zawiesiny cząstek związków srebra w cieczy (tzw. emulsja fotograficzna), mieszanek stosowanych w silnikach spalinowych (tzw. emulsja paliwo – powietrzna).
Powinowactwo emulgatora do fazy olejowej i fazy wodnej określa parametr HLB (współczynnik równowagi hydrofilowo – hydrofobowy). Od jego wartości zależy to, czy poszczególny związek powierzchniowo czynny lepiej stabilizuje emulsje typu woda w oleju, czy też olej w wodzie. Emulgatory o współczynniku HLB mniejszym niż 10 zazwyczaj stabilizują emulsję typu woda w oleju, z kolei emulgatory o współczynniku HLB powyżej 10 stabilizują emulsję typu olej w wodzie.
Podczas procesu emulgowania istotną kwestią jest trwałość powstałych emulsji oraz łatwość ich powstawania. Emulgatory mogą posiadać szereg właściwości oraz zastosowań, które przydatne są podczas pełnienia docelowej funkcji. Do przykładowych wymagań stawianych emulgatorom jest: zmniejszenie napięcia powierzchniowego na granicy gaz, zapobieganie zjawiska inwersji, stabilizacja emulsji, czy też brak toksyczności i zapachu. Zazwyczaj poszczególne emulgatory posiadają tylko niektóre z pożądanych właściwości, dlatego też często stosuje się mieszaninę odpowiednio dobranych emulgatorów.
Umiejętność tworzenia emulsji pozwala wykorzystać surfaktanty w wielu gałęziach przemysłu. Dzięki temu zjawisku możliwe jest produkowanie kosmetyków, farb, klejów, lakierów i tworzyw sztucznych. Ponadto surfaktanty wykorzystywane są jako emulgatory w przemyśle metalurgicznym, spożywczym, wydobywczym, paliwowym, włókienniczym, chemicznym, budowlanym oraz wielu innych.
Detergencja
Detergencja to proces polegający na usuwaniu zabrudzeń. Zachodzi z udziałem cząsteczek surfaktantów, które otaczają drobiny brudu, ustawiając się do nich niepolarnymi ogonami, czyli łańcuchami węglowodorowymi. Następnie odrywają zanieczyszczenie od podłoża i otaczają je ze wszystkich stron, tworząc micelę. Tak wytworzona emulsja pozwala w łatwy sposób pozbyć się zabrudzeń.
Warto zauważyć, że surfaktanty wykazują efekt synergii w kombinacji z innymi związkami powierzchniowo czynnymi. Synergizm to zjawisko, w którym efekt działania dwóch lub większej ilości składników jest większy niż suma cząstkowych oddziaływań każdego z nich osobno.
