Povrchově aktivní látky mají různou chemickou strukturu. Díky tomu se vyznačují celou řadou vlastností a mají mnoho různých funkcí. Tyto látky se proto používají téměř v každém odvětví. Jedna povrchově aktivní látka má obvykle více vlastností, které ovlivňují její konečné použití. Při výrobě povrchově aktivních látek je klíčový správný výběr surovin. Právě tato fáze rozhoduje o parametrech a fyzikálně-chemických vlastnostech výsledných povrchově aktivních látek, potažmo o jejich následném použití. Například prací a prací prostředky využívají povrchově aktivní látky s vynikajícími pěnotvornými a smáčecími vlastnostmi, zatímco kosmetika využívá povrchově aktivní látky, které jsou dobrými emulgátory.
Po rozpuštění nebo dispergaci v kapalině se povrchově aktivní látky adsorbují na fázové hranici a mění mezifázové povrchové napětí. Tyto sloučeniny mají také společnou kvalitu, která jim umožňuje tvořit micely . Tenzidy se vyznačují odolností vůči působení alkálií a tvrdé vody.
Rozpustnost povrchově aktivní látky ve vodě
Díky své hydrofilně-hydrofobní struktuře jsou povrchově aktivní látky rozpustné v mnoha různých rozpouštědlech.
Rozpustnost iontových povrchově aktivních činidel pramení z jejich schopnosti disociovat a produkovat ionty. Rozpustnost neiontových povrchově aktivních látek patřících do skupin polyoxyethylenovaných nebo polyoxypropylenovaných sloučenin je na druhé straně způsobena tvorbou sítě vodíkových vazeb mezi molekulami vody a etherovým kyslíkem.
Rozpustnost v polárních sloučeninách pramení z přítomnosti hydrofilního fragmentu v molekule. Čím delší a méně rozvětvený je však uhlovodíkový řetězec, tím nižší je rozpustnost ve vodě.
Rozpustnost povrchově aktivních látek ve vodě lze upravit úpravou jejich struktury. Zvýšení rozpustnosti je možné zavedením polyoxyethylenované části do molekuly nebo překročením Krafftova bodu, což je konkrétní teplota, nad kterou dochází k náhlému zvýšení rozpustnosti v důsledku tvorby micel. Rozpustnost povrchově aktivního činidla ve vodě lze snížit začleněním propylenoxidu do jeho struktury.
Rozpustnost povrchově aktivní látky ve vodě také přímo souvisí s hodnotou hydrofilně-lipofilní rovnováhy (HLB).
Povrchové napětí povrchově aktivní látky
Povrchové napětí jsou síly, které působí na mezifázovém rozhraní . Je to konstantní veličina charakteristická pro každou jednotlivou kapalinu, vysoce závislá na teplotě a prostředí, se kterým je kapalina v kontaktu. Povrchové napětí je výsledkem nerovnováhy sil působících na molekuly umístěné na povrchu kapaliny a v jejím objemu.
Molekuly povrchově aktivní látky jsou adsorbovány na povrchu kapalné fáze a umísťují se svými polárními hlavami směrem k objemu kapaliny a hydrofobním koncem směrem ke vzduchu. V důsledku takového uspořádání molekul se snižuje povrchové napětí kapaliny. Při přidání většího množství povrchově aktivní látky se její molekuly neuspořádaně dispergují v celém objemu kapaliny, dokud není překročena kritická koncentrace micel (CMC) . Molekuly se pak začnou organizovat do sférických forem zvaných micely .
Když se koncentrace povrchově aktivní látky v roztoku zvýší, její povrchové napětí klesne na určitou úroveň a zůstane konstantní, bez ohledu na jakékoli následné zvýšení koncentrace. Neiontové povrchově aktivní látky jsou nejúčinnější při snižování povrchového napětí.
Znalost kritické koncentrace micel je velmi důležitá při použití povrchově aktivních činidel. To proto, že určuje prahovou koncentraci, která je pro danou povrchově aktivní látku nejvhodnější pro použití ve výrobku.
Mezi metody umožňující měření povrchového napětí patří stalagometrická metoda, metoda kapilárního vzlínání a metoda maximálního tlaku bublin.
Pěnotvorné vlastnosti povrchově aktivních látek
Vlastností povrchově aktivních látek produkujících pěnu je schopnost povrchově aktivních látek vytvářet pěnu. Jejich mírou je objem pěny vyrobené z roztoku obsahujícího povrchově aktivní látky za specifických podmínek. Tato vlastnost povrchově aktivních látek pramení z jejich schopnosti uspořádat se do micel a stabilizovat vzduchové bubliny.
V čistých kapalinách nedochází k žádnému pěnění. Pro výrobu pěny se vzduch nebo jiný plyn zavádí do kapaliny s vhodnou povrchově aktivní látkou. Molekuly povrchově aktivní látky jsou pak uspořádány na mezifázovém rozhraní kapalina-plyn. Pokud je koncentrace povrchově aktivní látky v roztoku vysoká, molekuly povrchově aktivní látky se uspořádají kolmo k rozhraní kapalné fáze. Hydrofilní „hlavy“ jsou umístěny směrem k objemu kapaliny, zatímco hydrofobní „ocasy“ směřují směrem ke vzduchu. Když se z kapalné fáze uvolní bublinky plynu, molekuly povrchově aktivní látky se adsorbují na povrchu plynu a vytvoří pěnu.
Schopnost povrchově aktivních látek tvořit pěny závisí na několika faktorech, jako je koncentrace a chemická struktura povrchově aktivní látky, hodnota pH roztoku, přítomnost dalších složek v roztoku a také tvrdost vody. Nejlepší pěnotvorné vlastnosti mají molekuly povrchově aktivní látky s alkylovým řetězcem dlouhým 12–15 atomů nebo s polyoxyethylenovým řetězcem obsahujícím 10–12 oxyethylenových skupin. Na druhou stranu molekuly povrchově aktivní látky s alkylovým řetězcem kratším než 10 nebo delším než 16 atomů uhlíku mají nejhorší pěnotvorné vlastnosti.
Pěnivost každé povrchově aktivní látky lze upravit úpravou její struktury. Vložení polyoxypropylenové části do molekuly povrchově aktivní látky nám umožňuje snížit její pěnění, zatímco přídavek ethylenoxidu zvyšuje schopnost povrchově aktivní látky tvořit pěnu.
Vlastnosti povrchově aktivních látek produkující pěnu hrají důležitou roli v mnoha průmyslových aplikacích , např. při flotaci minerálů, výrobě detergentů a v potravinářském průmyslu. V některých případech je pěnění nežádoucí, nebo dokonce škodlivé. Tento jev je brzdou především v textilním průmyslu, průmyslových pracích a pracích procesech a v automatických domácích pračkách. K odstranění nebo omezení pěnivosti povrchově aktivní látky lze použít přídavek odpěňovacích činidel (např. silikonové přípravky nebo určité neiontové povrchově aktivní látky).
Povrchově aktivní látky, které patří k odpěňovacím činidlům, mají hodnotu hydrofilně-lipofilní rovnováhy v rozmezí 1,5–3. Když se testuje schopnost povrchově aktivních látek vytvářet pěnu, hodnotí se kromě jejího objemu také stabilita pěny a hustota.
Smáčivé vlastnosti povrchově aktivních látek
Smáčivost je další charakteristickou vlastností povrchově aktivních látek. Díky schopnosti molekul snižovat povrchové napětí mezi kapalinou a pevnou látkou a odstraňovat vzduch z pevných povrchů se značně zvyšuje rozplývavost kapiček kapaliny na povrchu. Jinými slovy, smáčivost je schopnost molekul povrchově aktivních látek a jejich roztoků šířit se po povrchu, na který jsou aplikovány. Výsledkem tohoto jevu je snížení energetické bariéry mezi roztokem a smáčeným povrchem. Tento jev vede ke zvětšení kontaktní plochy, což zlepšuje efektivitu a rychlost daného procesu.
Když je čistá kapalina porovnána s kapalinou s přídavkem povrchově aktivní látky, je jasně viditelný rozdíl v plochách zachycených každou kapkou.
Díky smáčecím vlastnostem povrchově aktivních látek lze textilie rychleji smáčet vodou, což urychluje proces praní. Tato kvalita se využívá také v agrochemii (např. smáčení povrchu listů rozstřikovanou kapalinou), v průmyslu nátěrových hmot a ve stavebnictví.
Veličina, která popisuje schopnost kapaliny smáčet pevné látky, je úhel smáčení Θ, což je úhel mezi smáčeným povrchem a smáčecí kapkou. Když je úhel roven nule, znamená to celkové smáčení daného povrchu kapkou kapaliny. Úhel 0° < Θ < 90° je charakteristický pro částečně smáčivé kapaliny, zatímco úhly 90° < Θ < 180° znamenají částečně nesmáčivé kapaliny. Kapaliny zcela bez smáčivosti mají úhel smáčení Θ 180°.
Emulgace
Emulgace spočívá ve vytvoření suspenze dvou vzájemně nerozpustných a nemísitelných látek, z nichž alespoň jedna je kapalina. Výsledkem tohoto procesu je vytvoření heterogenního disperzního systému , tzv. emulze . Pokud jsou obě složky kapaliny, emulze je suspenzí kapiček jedné fáze ve druhé. Jedna kapalina je spojitá neboli vnější fáze, druhá – disperzní neboli vnitřní fáze. Aby však byl takový systém stabilní, je nutné použít povrchově aktivní látku, která obklopí kapičky jedné kapaliny, oddělí je od druhé fáze a zabrání jejich sloučení do větších agregátů. K tomu dochází díky uspořádání molekul povrchově aktivních látek. Uspořádají se hydrofilní hlavou směrem k polárnímu rozpouštědlu a hydrofobním koncem směrem k nepolární fázi. Vznikají tak emulze olej ve vodě , kde spojitou fází je polární voda s dispergovanou nepolární olejovou fází, nebo naopak – emulze V/O, tedy voda v oleji .
Pojmem emulze nelze označovat směsi plynů nebo pevných látek v kapalinách, suspenze sloučenin stříbra v kapalinách (tzv. fotografická emulze) a směsi používané ve spalovacích motorech (tzv. emulze palivo-vzduch).
Afinita emulgátoru k olejové fázi a vodné fázi je dána parametrem HLB (hydrofilně-lipofilní rovnováha). Jeho hodnota určuje, zda je konkrétní povrchově aktivní látka lepší při stabilizaci emulzí typu voda v oleji nebo olej ve vodě. Emulgátory s HLB nižším než 10 obvykle stabilizují emulze typu voda v oleji, zatímco emulgátory s HLB vyšším než 10 stabilizují emulze typu olej ve vodě.
Během emulgačního procesu je důležitým problémem stabilita výsledných emulzí a jejich snadnost tvorby. Emulgátory mohou mít řadu vlastností a aplikací, které jsou užitečné pro jejich zamýšlenou funkci. Mezi požadavky kladené na emulgátory patří: snížení povrchového napětí na mezifázovém rozhraní, zabránění jevu inverze, stabilizace emulze a nedostatek toxicity nebo zápachu. Obvykle mají jednotlivé emulgátory pouze některé požadované vlastnosti, proto se často používá směs vhodných emulgátorů.
Schopnost tvořit emulze umožňuje použití povrchově aktivních látek v mnoha průmyslových odvětvích. S tímto fenoménem jsme schopni vyrábět kosmetiku, barvy, lepidla, laky a plasty. Kromě toho se povrchově aktivní látky používají jako emulgátory v metalurgickém, potravinářském, těžebním, palivovém, textilním, chemickém, stavebním a mnoha dalších průmyslových odvětvích.
Detergent
Detergent je proces odstraňování nečistot . Dochází k tomu za účasti povrchově aktivních látek, které obklopují částice nečistot, a jsou umístěny s nepolárními ocasy, tj. jejich uhlovodíkovými řetězci směrem k nim. Dále odlamují nečistoty z povrchu a obklopují je ze všech stran a vytvářejí micelu . Takto vyrobená emulze usnadňuje odstranění nečistot.
Všimněte si, že povrchově aktivní látky vykazují synergický účinek , když jsou kombinovány s jinými povrchově aktivními činidly. Synergismus je jev, kdy účinek dvou nebo více složek je větší než součet jejich jednotlivých účinků braných samostatně.
