Povrchovo aktívne látky majú rôznu chemickú štruktúru. V dôsledku toho sa vyznačujú celým radom vlastností a majú mnoho rôznych funkcií. Tieto látky sa preto používajú takmer v každom odvetví. Jedna povrchovo aktívna látka má zvyčajne viacero vlastností, ktoré ovplyvňujú jej konečné použitie. Pri výrobe povrchovo aktívnych látok je kľúčový správny výber surovín. Práve táto fáza rozhoduje o parametroch a fyzikálno-chemických vlastnostiach výsledných povrchovo aktívnych látok, a teda aj o ich následnom použití. Napríklad pracie a pracie prostriedky využívajú povrchovo aktívne látky s vynikajúcimi penotvornými a zmáčacími vlastnosťami, zatiaľ čo kozmetika využíva povrchovo aktívne látky, ktoré sú dobrými emulgátormi.
Po rozpustení alebo dispergovaní v kvapaline sa povrchovo aktívne látky adsorbujú na fázovom rozhraní , čím sa mení medzifázové povrchové napätie. Tieto zlúčeniny majú tiež spoločnú kvalitu, ktorá im umožňuje vytvárať micely . Povrchovo aktívne látky sa vyznačujú odolnosťou voči účinkom zásad a tvrdej vody.
Rozpustnosť povrchovo aktívnej látky vo vode
Vďaka svojej hydrofilno-hydrofóbnej štruktúre sú povrchovo aktívne látky rozpustné v mnohých rôznych rozpúšťadlách.
Rozpustnosť iónových povrchovo aktívnych činidiel pramení z ich schopnosti disociovať a produkovať ióny. Rozpustnosť neiónových povrchovo aktívnych látok patriacich do skupiny polyoxyetylénovaných alebo polyoxypropylénovaných zlúčenín je na druhej strane spôsobená tvorbou siete vodíkových väzieb medzi molekulami vody a éterovým kyslíkom.
Rozpustnosť v polárnych zlúčeninách vyplýva z prítomnosti hydrofilného fragmentu v molekule. Avšak čím dlhší a menej rozvetvený je uhľovodíkový reťazec, tým nižšia je rozpustnosť vo vode.
Rozpustnosť povrchovo aktívnych látok vo vode je možné upraviť úpravou ich štruktúry. Zvýšenie rozpustnosti je možné zavedením polyoxyetylénovej skupiny do molekuly alebo prekročením Krafftovho bodu, čo je konkrétna teplota, nad ktorou dochádza k náhlemu zvýšeniu rozpustnosti v dôsledku tvorby miciel. Rozpustnosť povrchovo aktívneho činidla vo vode sa môže znížiť začlenením propylénoxidu do jeho štruktúry.
Rozpustnosť povrchovo aktívnej látky vo vode tiež priamo súvisí s hodnotou hydrofilno-lipofilnej rovnováhy (HLB).
Povrchové napätie povrchovo aktívnej látky
Povrchové napätie sú sily, ktoré pôsobia na medzifázovom rozhraní . Je to konštantná veličina charakteristická pre každú jednotlivú kvapalinu, vysoko závislá od teploty a prostredia, s ktorým je kvapalina v kontakte. Povrchové napätie je výsledkom nerovnováhy síl pôsobiacich na molekuly nachádzajúce sa na povrchu kvapaliny a v jej objeme.
Molekuly povrchovo aktívnej látky sú adsorbované na povrchu kvapalnej fázy, pričom sa umiestňujú svojimi polárnymi hlavami smerom k objemu kvapaliny a hydrofóbnym chvostom smerom k vzduchu. Výsledkom takéhoto usporiadania molekúl je zníženie povrchového napätia kvapaliny. Keď sa pridá väčšie množstvo povrchovo aktívnej látky, jej molekuly sa dispergujú v celom objeme kvapaliny neusporiadaným spôsobom, až kým sa neprekročí kritická koncentrácia miciel (CMC) . Molekuly sa potom začnú organizovať do sférických foriem nazývaných micely .
Keď sa koncentrácia povrchovo aktívnej látky v roztoku zvýši, jej povrchové napätie klesne na určitú úroveň a zostane konštantné, bez ohľadu na akékoľvek následné zvýšenie koncentrácie. Neiónové povrchovo aktívne látky sú najúčinnejšie pri znižovaní povrchového napätia.
Pri použití povrchovo aktívnych činidiel je veľmi dôležité poznať kritickú koncentráciu miciel. Je to preto, že určuje prahovú koncentráciu, ktorá je pre danú povrchovo aktívnu látku najvhodnejšia na použitie vo výrobku.
Medzi metódy, ktoré umožňujú meranie povrchového napätia, patrí stalagometrická metóda, metóda kapilárneho stúpania a metóda maximálneho tlaku bublín.
Penotvorné vlastnosti povrchovo aktívnych látok
Penotvornou vlastnosťou povrchovo aktívnych látok je schopnosť povrchovo aktívnych látok produkovať penu. Ich mierou je objem peny vyrobenej z roztoku obsahujúceho povrchovo aktívne látky za špecifických podmienok. Táto vlastnosť povrchovo aktívnych činidiel pramení z ich schopnosti usporiadať sa do miciel a stabilizovať vzduchové bubliny.
V čistých kvapalinách nedochádza k žiadnemu peneniu. Na vytvorenie peny sa vzduch alebo iný plyn zavedie do kvapaliny s vhodnou povrchovo aktívnou látkou. Molekuly povrchovo aktívnej látky sú potom usporiadané na medzifázovej hranici kvapalina-plyn. Ak je koncentrácia povrchovo aktívnej látky v roztoku vysoká, molekuly povrchovo aktívneho činidla sa usporiadajú kolmo na rozhranie kvapalnej a plynnej fázy. Hydrofilné „hlavy“ sú umiestnené smerom k objemu kvapaliny, zatiaľ čo hydrofóbne „chvosty“ smerujú k vzduchu. Keď sa bubliny plynu uvoľnia z kvapalnej fázy, molekuly povrchovo aktívnej látky sa adsorbujú na povrchu plynu, čím sa vytvorí pena.
Schopnosť povrchovo aktívnych látok vytvárať peny závisí od viacerých faktorov, ako je koncentrácia a chemická štruktúra povrchovo aktívnej látky, hodnota pH roztoku, prítomnosť ďalších zložiek v roztoku, ako aj tvrdosť vody. Najlepšie penotvorné vlastnosti majú molekuly povrchovo aktívnej látky s alkylovým reťazcom dlhým 12–15 atómov alebo s polyoxyetylénovým reťazcom obsahujúcim 10–12 oxyetylénových skupín. Na druhej strane molekuly povrchovo aktívnej látky s alkylovým reťazcom kratším ako 10 alebo dlhším ako 16 atómov uhlíka majú najhoršie penotvorné vlastnosti.
Schopnosť penenia každého povrchovo aktívneho činidla sa dá upraviť úpravou jeho štruktúry. Vloženie polyoxypropylénovej časti do molekuly povrchovo aktívneho činidla nám umožňuje znížiť jeho penivosť, zatiaľ čo pridanie etylénoxidu zvyšuje schopnosť povrchovo aktívneho činidla vytvárať penu.
Penotvorné vlastnosti povrchovo aktívnych látok hrajú dôležitú úlohu v mnohých priemyselných aplikáciách , napr. pri flotácii minerálov, výrobe detergentov a v potravinárskom priemysle. V niektorých prípadoch je penenie nežiaduce alebo dokonca škodlivé. Tento jav je prekážkou najmä v textilnom priemysle, priemyselných procesoch prania a prania a v automatických domácich práčkach. Na odstránenie alebo obmedzenie penivosti povrchovo aktívnej látky možno použiť pridanie protipenivých činidiel (napr. silikónové prípravky alebo určité neiónové povrchovo aktívne činidlá).
Povrchovo aktívne látky, ktoré patria medzi činidlá proti peneniu, majú hodnotu hydrofilno-lipofilnej rovnováhy v rozmedzí 1,5–3. Keď sa testuje schopnosť povrchovo aktívnych látok vytvárať penu, hodnotí sa okrem jej objemu aj stabilita a hustota peny.
Zmáčacie vlastnosti povrchovo aktívnych látok
Zmáčavosť je ďalšou charakteristickou vlastnosťou povrchovo aktívnych činidiel. Vďaka schopnosti molekúl znižovať povrchové napätie medzi kvapalinou a pevnou látkou a odstraňovať vzduch z pevných povrchov sa výrazne zvyšuje rozplývavosť kvapiek kvapaliny na povrchu. Inými slovami, zmáčavosť je schopnosť molekúl povrchovo aktívnych látok a ich roztokov šíriť sa po povrchu, na ktorý sú aplikované. Výsledkom tohto javu je znížená energetická bariéra medzi roztokom a zmáčaným povrchom. Tento jav vedie k zväčšeniu kontaktnej plochy, čo zlepšuje efektivitu a rýchlosť daného procesu.
Keď sa čistá kvapalina porovná s kvapalinou s pridanou povrchovo aktívnou látkou, je jasne viditeľný rozdiel v plochách zachytených každou kvapkou.
Vďaka zmáčacím vlastnostiam povrchovo aktívnych látok je možné textílie rýchlejšie zmáčať vodou, čo urýchľuje proces prania. Táto kvalita sa využíva aj v agrochémii (napr. zmáčanie povrchu listov striekanou kvapalinou), v priemysle farieb a lakov a v stavebníctve.
Veličina, ktorá opisuje schopnosť kvapaliny zmáčať tuhé látky, je uhol zmáčania Θ, čo je uhol medzi zmáčaným povrchom a zmáčacou kvapôčkou. Keď sa uhol rovná nule, znamená to celkové zmáčanie daného povrchu kvapôčkou kvapaliny. Uhol 0° < Θ < 90° je charakteristický pre čiastočne zmáčajúce kvapaliny, kým uhly 90° < Θ < 180° znamenajú čiastočne nezmáčavé kvapaliny. Kvapaliny úplne zbavené schopnosti zmáčania majú uhol zmáčania Θ 180°.
Emulgácia
Emulgácia zahŕňa vytvorenie suspenzie dvoch vzájomne nerozpustných a nemiešateľných látok, z ktorých aspoň jedna je kvapalina. Výsledkom tohto procesu je vytvorenie heterogénneho disperzného systému , takzvaná emulzia . Ak sú obe zložky kvapaliny, emulzia je suspenzia kvapiek jednej fázy v druhej. Jedna kvapalina je spojitá alebo vonkajšia fáza, druhá – rozptýlená alebo vnútorná fáza. Aby však bol takýto systém stabilný, je potrebné použiť povrchovo aktívnu látku, ktorá obklopí kvapôčky jednej kvapaliny, oddelí ich od druhej fázy a zabráni ich zlučovaniu do väčších agregátov. K tomu dochádza vďaka usporiadaniu molekúl povrchovo aktívnych látok. Usporiadajú sa s hydrofilnou hlavou smerom k polárnemu rozpúšťadlu a s hydrofóbnym chvostom smerom k nepolárnej fáze. Takto vznikajú emulzie olej vo vode , kde spojitou fázou je polárna voda s dispergovanou nepolárnou olejovou fázou, alebo naopak – emulzie V/O, teda voda v oleji .
Pojem emulzia nemožno použiť na označenie zmesí plynov alebo pevných látok v kvapalinách, suspenzií zlúčenín striebra v kvapalinách (tzv. fotografická emulzia) a zmesí používaných v spaľovacích motoroch (tzv. emulzia palivo-vzduch).
Afinita emulgátora k olejovej fáze a vodnej fáze je daná parametrom HLB (hydrofilno-lipofilná rovnováha). Jeho hodnota určuje, či konkrétne povrchovo aktívne činidlo lepšie stabilizuje emulzie typu voda v oleji alebo olej vo vode. Emulgátory s HLB nižšou ako 10 zvyčajne stabilizujú emulzie typu voda v oleji, zatiaľ čo emulgátory s HLB vyššou ako 10 stabilizujú emulzie typu olej vo vode.
Počas emulgačného procesu sú dôležitými otázkami stabilita výsledných emulzií a ich ľahké vytváranie. Emulgátory môžu mať množstvo vlastností a aplikácií, ktoré sú užitočné pre ich zamýšľanú funkciu. Požiadavky kladené na emulgátory zahŕňajú: zníženie povrchového napätia na medzifázovom rozhraní, zabránenie fenoménu inverzie, stabilizáciu emulzie a nedostatok toxicity alebo zápachu. Obvykle jednotlivé emulgátory majú len niektoré z požadovaných vlastností, preto sa často používa zmes vhodných emulgátorov.
Schopnosť vytvárať emulzie umožňuje použitie povrchovo aktívnych látok v mnohých priemyselných odvetviach. S týmto fenoménom sme schopní vyrábať kozmetiku, farby, lepidlá, laky a plasty. Okrem toho sa povrchovo aktívne látky používajú ako emulgátory v metalurgickom, potravinárskom, ťažobnom, palivovom, textilnom, chemickom, stavebnom a mnohých ďalších priemyselných odvetviach.
Detergent
Detergent je proces odstraňovania nečistôt . Dochádza k tomu za účasti povrchovo aktívnych látok, ktoré obklopujú častice nečistôt, ktoré sú umiestnené s nepolárnymi chvostmi, tj ich uhľovodíkovými reťazcami smerom k nim. Potom odlupujú nečistoty z povrchu a obklopujú ich zo všetkých strán, čím vytvárajú micelu . Takto vytvorená emulzia uľahčuje odstránenie nečistôt.
Všimnite si, že povrchovo aktívne látky vykazujú synergický účinok v kombinácii s inými povrchovo aktívnymi látkami. Synergizmus je jav, pri ktorom je účinok dvoch alebo viacerých zložiek väčší ako súčet ich jednotlivých účinkov braných samostatne.
