Welke eigenschappen en functies hebben oppervlakteactieve stoffen?
Oppervlakteactieve stoffen hebben een gevarieerde chemische structuur. Hierdoor worden ze gekenmerkt door een heel scala aan eigenschappen en hebben ze veel verschillende functies. Deze stoffen worden dan ook in bijna elke industrie gebruikt. Een enkele oppervlakteactieve stof heeft meestal meerdere eigenschappen, die van invloed zijn op het uiteindelijke gebruik. Een goede selectie van grondstoffen is essentieel bij de productie van oppervlakteactieve stoffen. Het is deze fase die de parameters en fysisch-chemische eigenschappen van de resulterende oppervlakteactieve stoffen bepaalt, en dus hun latere gebruik. Was- en wasmiddelen gebruiken bijvoorbeeld oppervlakteactieve stoffen met uitstekende schuimvormende en bevochtigende eigenschappen, terwijl cosmetica gebruik maakt van oppervlakteactieve stoffen die goede emulgatoren zijn.
Na oplossen of dispergeren in een vloeistof worden oppervlakteactieve stoffen geadsorbeerd aan de fasegrens , waardoor de interfase-oppervlaktespanning verandert. Deze verbindingen hebben ook een gemeenschappelijke kwaliteit waardoor ze micellen kunnen vormen . Oppervlakteactieve stoffen worden gekenmerkt door weerstand tegen de effecten van alkaliën en hard water.
Oplosbaarheid van oppervlakteactieve stoffen in water
Vanwege hun hydrofiele-hydrofobe structuur zijn oppervlakteactieve stoffen oplosbaar in veel verschillende oplosmiddelen.
De oplosbaarheid van ionische oppervlakte-actieve stoffen komt voort uit hun vermogen om te dissociëren en ionen te produceren. De oplosbaarheid van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen die behoren tot de groepen polyoxyethyleen- of polyoxypropyleenverbindingen wordt daarentegen veroorzaakt door de vorming van een netwerk van waterstofbindingen tussen watermoleculen en etherzuurstof.
Oplosbaarheid in polaire verbindingen komt voort uit de aanwezigheid van het hydrofiele fragment in het molecuul. Hoe langer en minder vertakt de koolwaterstofketen is, hoe lager de oplosbaarheid in water wordt.
De oplosbaarheid van oppervlakteactieve stoffen in water kan worden aangepast door hun structuur te wijzigen. Het verhogen van de oplosbaarheid is mogelijk door een polyoxyethyleengroep in het molecuul te introduceren of door het Krafft-punt te kruisen, wat een bepaalde temperatuur is waarboven een plotselinge toename van de oplosbaarheid door micelvorming optreedt. De oplosbaarheid in water van een oppervlakte-actief middel kan worden verminderd door propyleenoxide in zijn structuur op te nemen.
De oplosbaarheid van oppervlakteactieve stoffen in water is ook direct gerelateerd aan de hydrofiele-lipofiele balans (HLB) waarde.
Oppervlaktespanning oppervlakteactieve stof
Oppervlaktespanning is krachten die inwerken op de interfasegrens . Het is een constante hoeveelheid die kenmerkend is voor elke individuele vloeistof, sterk afhankelijk van de temperatuur en de omgeving waarmee de vloeistof in contact is. Oppervlaktespanning is het resultaat van een onbalans van krachten die inwerken op de moleculen die zich op het oppervlak van de vloeistof en in zijn bulk bevinden.
Oppervlakteactieve moleculen worden geadsorbeerd op het oppervlak van de vloeibare fase, waarbij ze zichzelf positioneren met hun polaire kop naar de massa van de vloeistof en met de hydrofobe staart naar de lucht. Door een dergelijke rangschikking van de moleculen wordt de oppervlaktespanning van een vloeistof verlaagd . Wanneer een grotere hoeveelheid van een oppervlakteactieve stof wordt toegevoegd, dispergeren de moleculen ervan op ongeordende wijze in de gehele massa van de vloeistof, totdat de kritische micelconcentratie (CMC) wordt overschreden. De moleculen beginnen zich dan te organiseren in bolvormige vormen die micellen worden genoemd.
Wanneer de concentratie van een oppervlakteactieve stof in een oplossing toeneemt, daalt de oppervlaktespanning tot een bepaald niveau en blijft constant, ongeacht eventuele daaropvolgende concentratieverhoging. Niet-ionische oppervlakte-actieve stoffen zijn het meest effectief in het verminderen van de oppervlaktespanning.
Het kennen van de kritische micelconcentratie is erg belangrijk bij het gebruik van oppervlakteactieve stoffen. Dit komt omdat het de drempelconcentratie bepaalt die het meest geschikt is voor gebruik in een product voor een bepaalde oppervlakteactieve stof.
Methoden die het meten van oppervlaktespanning mogelijk maken, zijn onder meer de stalagmometrische methode, de capillaire stijgmethode en de maximale bellendrukmethode.
Schuimproducerende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen
De schuimproducerende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen is het vermogen van oppervlakteactieve stoffen om schuim te produceren. Hun maat is het volume schuim geproduceerd uit een oplossing die oppervlakteactieve stoffen bevat onder specifieke omstandigheden. Deze eigenschap van oppervlakteactieve stoffen komt voort uit hun vermogen om zichzelf in micellen te rangschikken en luchtbellen te stabiliseren.
In zuivere vloeistoffen treedt geen schuimvorming op. Om schuim te produceren, wordt lucht of een ander gas in een vloeistof gebracht met een geschikte oppervlakteactieve stof. Oppervlakteactieve moleculen worden vervolgens geordend op de grens tussen vloeistof en gas. Als de concentratie oppervlakteactieve stof in de oplossing hoog is, rangschikken moleculen van de oppervlakteactieve stof zich loodrecht op de vloeistof-gasfasegrens. De hydrofiele ‘koppen’ positioneren zich naar het grootste deel van de vloeistof, terwijl de hydrofobe ‘staarten’ naar de lucht wijzen. Wanneer gasbellen uit de vloeibare fase vrijkomen, worden de oppervlakteactieve moleculen geadsorbeerd op het gasoppervlak, waardoor een schuim ontstaat.
Het vermogen van oppervlakteactieve stoffen om schuim te vormen hangt af van verschillende factoren, zoals de concentratie en chemische structuur van de oppervlakteactieve stof, de pH-waarde van de oplossing, de aanwezigheid van andere ingrediënten in de oplossing en de waterhardheid. Oppervlakteactieve moleculen met een alkylketen van 12-15 atomen lang, of met een polyoxyethyleenketen die 10-12 oxyethyleengroepen bevat, hebben de beste schuimvormende eigenschappen. Aan de andere kant hebben oppervlakteactieve moleculen met een alkylketen korter dan 10 of langer dan 16 koolstofatomen de slechtste schuimvormende eigenschappen.
Het schuimend vermogen van elke oppervlakteactieve stof kan worden aangepast door de structuur ervan te wijzigen. Door een polyoxypropyleendeel in het molecuul van een oppervlakteactieve stof in te voegen, kunnen we de schuimvorming ervan verminderen, terwijl een toevoeging van ethyleenoxide het schuimvormende vermogen van een oppervlakteactieve stof verhoogt.
De schuimproducerende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen spelen een belangrijke rol in veel industriële toepassingen , zoals minerale flotatie, de productie van detergenten en in de voedingsindustrie. In sommige gevallen is schuimvorming ongewenst of zelfs schadelijk. Dit fenomeen is vooral een belemmering in de textielindustrie, industriële was- en wasprocessen en in automatische thuiswasmachines. Om het schuimend vermogen van oppervlakteactieve stoffen te verwijderen of te beperken, kan een toevoeging van antischuimmiddelen worden gebruikt (bijv. siliconenpreparaten of bepaalde niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen).
Oppervlakteactieve stoffen die tot antischuimmiddelen behoren, hebben een hydrofiel-lipofiel evenwichtswaarde binnen het bereik van 1,5-3. Wanneer het schuimproducerend vermogen van oppervlakteactieve stoffen wordt getest, worden behalve het volume ook de stabiliteit en de dichtheid van het schuim beoordeeld.
Bevochtigende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen
Bevochtigbaarheid is een andere kenmerkende eigenschap van oppervlakteactieve stoffen. Dankzij het vermogen van de moleculen om de oppervlaktespanning tussen een vloeistof en een vaste stof te verminderen en om lucht van vaste oppervlakken te verwijderen, wordt de vervloeiing van vloeistofdruppels op het oppervlak aanzienlijk verhoogd. Met andere woorden, bevochtigbaarheid is het vermogen van oppervlakteactieve moleculen en hun oplossingen om zich te verspreiden over het oppervlak waarop ze worden aangebracht. Een resultaat van dit fenomeen is een verlaagde energiebarrière tussen de oplossing en het bevochtigde oppervlak. Dit fenomeen leidt tot een groter contactoppervlak, wat de effectiviteit en snelheid van een bepaald proces verbetert.
Wanneer een zuivere vloeistof wordt vergeleken met een vloeistof met toevoeging van oppervlakteactieve stoffen, is een verschil in de gebieden die door beide druppeltjes worden ingenomen duidelijk zichtbaar.
Dankzij de bevochtigende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen kan textiel sneller worden bevochtigd met water, wat het wasproces versnelt. Deze kwaliteit wordt ook gebruikt in de agrochemie (bijv. bevochtiging van het bladoppervlak door de gespoten vloeistof), in de verf- en lakindustrie en in de bouw.
De hoeveelheid die het vermogen van een vloeistof om vaste stoffen te bevochtigen beschrijft, is de bevochtigingshoek , de hoek tussen het bevochtigde oppervlak en de bevochtigende druppel. Wanneer de hoek gelijk is aan nul, betekent dit totale bevochtiging van een bepaald oppervlak door de vloeistofdruppel. Een hoek 0° < Θ < 90° is kenmerkend voor gedeeltelijk bevochtigende vloeistoffen, terwijl hoeken van 90° < Θ < 180° gedeeltelijk niet-bevochtigende vloeistoffen betekenen. Vloeistoffen die volledig verstoken zijn van bevochtigingsvermogen hebben een bevochtigingshoek Θ van 180°.
emulgering
Emulgeren omvat de vorming van een suspensie van twee onderling onoplosbare en niet-mengbare stoffen, waarvan er ten minste één een vloeistof is. Als resultaat van dit proces wordt een heterogeen dispersief systeem gevormd , een zogenaamde emulsie . Als beide componenten vloeistoffen zijn, is de emulsie een suspensie van druppeltjes van de ene fase in de andere. De ene vloeistof is de continue of externe fase, de andere de gedispergeerde of interne fase. Om een dergelijk systeem echter stabiel te laten zijn, is het noodzakelijk om een oppervlakteactieve stof te gebruiken die de druppeltjes van de ene vloeistof omringt, ze scheidt van de andere fase en voorkomt dat ze samensmelten tot grotere aggregaten. Dit gebeurt dankzij de ordening van de moleculen van oppervlakteactieve stoffen. Ze rangschikken zich met de hydrofiele kop naar het polaire oplosmiddel en met de hydrofobe staart naar de niet-polaire fase. Dit is hoe olie-in-water-emulsies worden gevormd , waarbij de continue fase polair water is met een gedispergeerde niet-polaire olieachtige fase, of omgekeerd – W/O-emulsies, dwz water-in-olie .
De term emulsie kan niet worden gebruikt om mengsels van gassen of vaste stoffen in vloeistoffen, suspensies van zilververbindingen in vloeistoffen (de zogenaamde fotografische emulsie) en mengsels die in verbrandingsmotoren worden gebruikt (de zogenaamde brandstof-lucht-emulsie) te beschrijven.
De affiniteit van de emulgator voor de oliefase en de waterfase wordt gegeven door de HLB-parameter (hydrofiel-lipofiel evenwicht). De waarde ervan bepaalt of een bepaalde oppervlakteactieve stof beter is in het stabiliseren van water-in-olie- of olie-in-water-emulsies. Emulgatoren met een HLB lager dan 10 stabiliseren gewoonlijk water-in-olie-emulsies, terwijl emulgatoren met een HLB hoger dan 10 olie-in-water-emulsies stabiliseren.
Tijdens een emulgeringsproces zijn de stabiliteit van de resulterende emulsies en hun gemakkelijke vorming belangrijke punten. Emulgatoren kunnen een aantal eigenschappen en toepassingen hebben die nuttig zijn voor hun beoogde functie. Vereisten die aan emulgatoren worden gesteld, zijn onder meer: verlaging van de oppervlaktespanning aan de interfasegrens, preventie van het inversieverschijnsel, emulsiestabilisatie en afwezigheid van toxiciteit of geur. Gewoonlijk bezitten individuele emulgatoren slechts enkele van de gewenste eigenschappen, dus wordt vaak een mengsel van geschikte emulgatoren gebruikt.
Door het vermogen om emulsies te vormen, kunnen oppervlakteactieve stoffen in veel industrieën worden gebruikt. Met dit fenomeen zijn we in staat om cosmetica, verven, lijmen, vernissen en kunststoffen te produceren. Bovendien worden oppervlakteactieve stoffen gebruikt als emulgatoren in de metallurgische, voedsel-, hulpbronnenextractie-, brandstof-, textiel-, chemische, bouw- en vele andere industrieën.
wasmiddel
Detergentie is een proces van verwijdering van onzuiverheden . Het komt voor met de deelname van oppervlakteactieve stoffen, die vuildeeltjes omringen, positioneren met de niet-polaire staarten, dwz hun koolwaterstofketens naar hen toe. Vervolgens breken ze het vuil van het oppervlak en omringen het van alle kanten, waardoor een micel wordt gevormd. Een aldus geproduceerde emulsie maakt het gemakkelijk om onzuiverheden te verwijderen.
Merk op dat oppervlakteactieve stoffen een synergetisch effect vertonen wanneer ze worden gecombineerd met andere oppervlakteactieve stoffen. Synergisme is een fenomeen waarbij het effect van twee of meer componenten groter is dan de som van hun afzonderlijke effecten afzonderlijk.
