Os surfactantes possuem uma estrutura química variada. Como resultado, eles são caracterizados por uma ampla gama de propriedades e têm muitas funções diferentes. Essas substâncias são, portanto, usadas em quase todas as indústrias. Um único surfactante geralmente possui várias propriedades, que afetam seu uso final. A seleção adequada da matéria-prima é fundamental na produção de surfactante. É esta etapa que decide os parâmetros e propriedades físico-químicas dos surfactantes resultantes e, portanto, seu uso posterior. Por exemplo, os agentes de lavanderia e lavagem utilizam surfactantes com excelentes propriedades de formação de espuma e umectantes, enquanto os cosméticos fazem uso de surfactantes que são bons emulsionantes.
Após a dissolução ou dispersão em um líquido, os surfactantes são adsorvidos no limite da fase , alterando a tensão superficial da interfase. Esses compostos também têm uma qualidade comum que os permite formar micelas . Os surfactantes são caracterizados pela resistência aos efeitos dos álcalis e da água dura.
Solubilidade do surfactante na água
Devido à sua estrutura hidrofílico-hidrofóbica , os surfactantes são solúveis em muitos solventes diferentes.
A solubilidade dos agentes ativos de superfície iônicos decorre de sua capacidade de se dissociar e produzir íons. A solubilidade dos tensoativos não iônicos pertencentes aos grupos de compostos polioxietilenados ou polioxipropilenados é, por outro lado, causada pela formação de uma rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água e o oxigênio do éter.
A solubilidade em compostos polares decorre da presença do fragmento hidrofílico na molécula. No entanto, quanto mais longa e menos ramificada for a cadeia de hidrocarbonetos, menor se torna a solubilidade em água.
A solubilidade dos surfactantes em água pode ser ajustada modificando sua estrutura. O aumento da solubilidade é possível introduzindo uma porção polioxietilenada na molécula ou cruzando o ponto Krafft, que é uma temperatura particular acima da qual ocorre um aumento repentino na solubilidade devido à formação de micelas. A solubilidade em água de um agente tensoativo pode ser reduzida incorporando óxido de propileno em sua estrutura.
A solubilidade do surfactante em água também está diretamente relacionada ao valor do equilíbrio hidrofílico-lipofílico (HLB).
Tensão superficial do surfactante
A tensão superficial são as forças que atuam no limite da interfase . É uma característica de quantidade constante para cada líquido individual, altamente dependente da temperatura e do ambiente com o qual o líquido está em contato. A tensão superficial é o resultado de um desequilíbrio de forças que atuam nas moléculas localizadas na superfície do líquido e em seu volume.
As moléculas do surfactante são adsorvidas na superfície da fase líquida, posicionando-se com suas cabeças polares em direção à maior parte do líquido e com a cauda hidrofóbica em direção ao ar. Como resultado de tal arranjo das moléculas, a tensão superficial de um líquido é reduzida . Quando uma quantidade maior de um surfactante é adicionada, suas moléculas se dispersam em todo o volume do líquido de forma desordenada, até que a concentração micelar crítica (CMC) seja excedida. As moléculas então começam a se organizar em formas esféricas chamadas micelas .
Quando a concentração de um surfactante em uma solução aumenta, sua tensão superficial cai para um determinado nível e permanece constante, independentemente de qualquer aumento subsequente na concentração. Os agentes tensoativos não iônicos são os mais eficazes na redução da tensão superficial.
Saber a concentração micelar crítica é muito importante ao usar agentes tensoativos. Isso ocorre porque ele determina a concentração limite mais adequada para uso em um produto para um determinado surfactante.
Os métodos que permitem medir a tensão superficial incluem o método estalagmométrico, o método de aumento capilar e o método de pressão máxima de bolha.
Propriedades de produção de espuma de surfactantes
As propriedades de produção de espuma dos surfactantes são a habilidade dos surfactantes de produzir espuma. Sua medida é o volume de espuma produzida a partir de uma solução contendo surfactantes em condições específicas. Essa propriedade dos agentes tensoativos deriva de sua capacidade de se organizarem em micelas e de estabilizar as bolhas de ar.
Em líquidos puros, nenhum processo de formação de espuma ocorre. Para produzir espuma, ar ou outro gás é introduzido em um líquido com um surfactante adequado. As moléculas de surfactante são então ordenadas no limite da interfase líquido-gás. Se a concentração de surfactante na solução for alta, as moléculas do agente tensoativo se organizam perpendicularmente ao limite da fase líquido-gás. As ‘cabeças’ hidrofílicas se posicionam em direção à maior parte do líquido, enquanto as ‘caudas’ hidrofóbicas apontam para o ar. Quando bolhas de gás são liberadas da fase líquida, as moléculas do surfactante são adsorvidas na superfície do gás, formando uma espuma.
A capacidade dos surfactantes de formar espumas depende de vários fatores, como a concentração e a estrutura química do surfactante, o valor do pH da solução, a presença de outros ingredientes na solução, bem como a dureza da água. As moléculas de surfactante com uma cadeia alquílica de 12 a 15 átomos de comprimento ou com uma cadeia de polioxietileno contendo 10 a 12 grupos de oxietileno têm as melhores propriedades de formação de espuma. Por outro lado, as moléculas de surfactante com uma cadeia alquílica menor que 10 ou maior que 16 átomos de carbono têm as piores propriedades de formação de espuma.
A capacidade de formação de espuma de cada surfactante pode ser ajustada modificando sua estrutura. A inserção de uma porção de polioxipropileno na molécula de um agente tensoativo nos permite reduzir sua formação de espuma, enquanto a adição de óxido de etileno aumenta a capacidade de formação de espuma de um surfactante.
As propriedades de produção de espuma dos surfactantes desempenham um papel importante em muitas aplicações industriais , por exemplo, flotação mineral, produção de detergentes e na indústria de alimentos. Em alguns casos, a formação de espuma é indesejável ou mesmo prejudicial. Este fenômeno é um obstáculo principalmente na indústria têxtil, nos processos de lavagem e lavagem industrial e nas lavadoras domésticas automáticas. Para remover ou limitar a capacidade de formação de espuma do surfactante, pode-se usar uma adição de agentes antiespumantes (por exemplo, preparações de silicone ou certos agentes tensoativos não iônicos).
Os surfactantes que pertencem a agentes antiespumantes têm um valor de equilíbrio hidrofílico-lipofílico na faixa de 1,5–3. Quando a capacidade de produção de espuma dos surfactantes é testada, a estabilidade e a densidade da espuma são avaliadas além de seu volume.
Propriedades umectantes de surfactantes
A molhabilidade é outra qualidade característica dos agentes tensoativos. Graças à capacidade das moléculas de reduzir a tensão superficial entre um líquido e um sólido, e de remover o ar das superfícies sólidas, a deliquescência das gotículas de líquido na superfície é grandemente aumentada. Em outras palavras, molhabilidade é a capacidade das moléculas de surfactante e de suas soluções de se espalharem na superfície em que são aplicadas. Um resultado desse fenômeno é uma barreira de energia reduzida entre a solução e a superfície molhada. Esse fenômeno leva a um aumento da área de contato, o que melhora a eficácia e a velocidade de um determinado processo.
Quando um líquido puro é comparado a outro com adição de surfactante, uma diferença nas áreas absorvidas por cada gota é claramente visível.
Graças às propriedades umectantes dos surfactantes, os tecidos podem ser umedecidos com água mais rapidamente , o que acelera o processo de lavagem. Essa qualidade também é usada em agroquímicos (por exemplo, umedecimento da superfície da folha pelo líquido pulverizado), na indústria de tintas e vernizes e na indústria de construção.
A quantidade que descreve a capacidade de um líquido para umedecer sólidos é o ângulo de umedecimento Θ, que é o ângulo entre a superfície umedecida e a gota de umedecimento. Quando o ângulo é igual a zero, significa umedecimento total de uma determinada superfície pela gota de líquido. Um ângulo 0 ° <Θ <90 ° é característico para líquidos parcialmente umectantes, enquanto ângulos 90 ° <Θ <180 ° significam líquidos parcialmente não umectantes. Os líquidos completamente desprovidos de capacidade de umedecimento têm um ângulo de umedecimento Θ de 180 °.
Emulsificação
A emulsificação envolve a formação de uma suspensão de duas substâncias mutuamente insolúveis e imiscíveis, das quais pelo menos uma é líquida. Como resultado desse processo, um sistema dispersivo heterogêneo é formado , a chamada emulsão . Se ambos os componentes são líquidos, a emulsão é uma suspensão de gotículas de uma fase na outra. Um líquido é a fase contínua ou externa, o outro – a fase dispersa ou interna. Porém, para que tal sistema seja estável, é necessário o uso de um surfactante, que envolve as gotículas de um líquido, separando-as da outra fase e evitando que se combinem em agregados maiores. Isso ocorre graças ao ordenamento das moléculas do agente ativo de superfície. Eles se organizam com a cabeça hidrofílica em direção ao solvente polar e com a cauda hidrofóbica em direção à fase apolar. É assim que se formam as emulsões óleo-em-água , em que a fase contínua é água polar com uma fase oleosa não polar dispersa ou, inversamente, emulsões A / O, ou seja, água-em-óleo .
O termo emulsão não pode ser usado para descrever misturas de gases ou sólidos em líquidos, suspensões de compostos de prata em líquidos (a chamada emulsão fotográfica) e misturas usadas em motores de combustão (a chamada emulsão combustível-ar).
A afinidade do emulsificante para a fase oleosa e a fase aquosa é dada pelo parâmetro HLB (equilíbrio hidrofílico-lipofílico). Seu valor determina se um agente tensoativo específico é melhor para estabilizar emulsões de água em óleo ou óleo em água. Emulsificantes com um HLB inferior a 10 geralmente estabilizam as emulsões de água em óleo, enquanto os emulsificantes com um HLB superior a 10 estabilizam as emulsões de óleo em água.
Durante um processo de emulsificação, a estabilidade das emulsões resultantes e sua facilidade de formação são questões importantes. Os emulsificadores podem ter várias propriedades e aplicações que são úteis para a função pretendida. Os requisitos impostos aos emulsificantes incluem: redução da tensão superficial no limite da interfase, prevenção do fenômeno de inversão, estabilização da emulsão e falta de toxicidade ou odor. Normalmente, os emulsificantes individuais possuem apenas algumas das propriedades desejadas, portanto, uma mistura de emulsificantes adequados é freqüentemente usada.
A capacidade de formar emulsões permite que os surfactantes sejam usados em muitas indústrias. Com esse fenômeno, podemos produzir cosméticos, tintas, adesivos, vernizes e plásticos. Além disso, os surfactantes são usados como emulsificantes nas indústrias metalúrgica, alimentícia, extração de recursos, combustível, têxtil, química, construção e muitas outras.
Detergência
Detergência é um processo de remoção de impurezas . Ocorre com a participação de surfactantes, que circundam as partículas de sujeira, posicionando-se com as caudas apolares, ou seja, suas cadeias de hidrocarbonetos voltadas para elas. Em seguida, eles rompem a sujeira da superfície e a circundam por todos os lados, formando uma micela . Uma emulsão assim produzida facilita a remoção de impurezas.
Observe que os surfactantes exibem um efeito sinérgico quando combinados com outros agentes tensoativos. Sinergismo é um fenômeno em que o efeito de dois ou mais componentes é maior do que a soma de seus efeitos individuais considerados separadamente.
