Ytaktiva ämnen har en varierad kemisk struktur. Som ett resultat kännetecknas de av en hel rad egenskaper och har många olika funktioner. Dessa ämnen används därför i nästan alla branscher. Ett enda ytaktivt ämne har vanligtvis flera egenskaper, vilket påverkar dess slutliga användning. Korrekt val av råmaterial är nyckeln i produktionen av ytaktiva ämnen. Det är detta stadium som bestämmer parametrarna och de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos de resulterande ytaktiva medlen, och därför deras efterföljande användning. Tvätt- och tvättmedel använder till exempel ytaktiva ämnen med utmärkta skumbildande och vätande egenskaper, medan kosmetika använder sig av ytaktiva ämnen som är bra emulgeringsmedel.
Efter upplösning eller dispergering i en vätska, adsorberas ytaktiva ämnen vid fasgränsen , vilket ändrar ytspänningen mellan faserna. Dessa föreningar har också en gemensam kvalitet som gör att de kan bilda miceller . Ytaktiva ämnen kännetecknas av motståndskraft mot effekterna av alkalier och hårt vatten.
Löslighet i ytaktiva ämnen i vatten
På grund av sin hydrofila-hydrofoba struktur är ytaktiva ämnen lösliga i många olika lösningsmedel.
Lösligheten hos joniska ytaktiva ämnen härrör från deras förmåga att dissociera och producera joner. Lösligheten av nonjoniska ytaktiva ämnen som tillhör de polyoxietylenerade eller polyoxipropylenerade föreningarna orsakas å andra sidan av bildandet av ett nätverk av vätebindningar mellan vattenmolekyler och etersyre.
Lösligheten i polära föreningar härrör från närvaron av det hydrofila fragmentet i molekylen. Men ju längre och mindre grenad kolvätekedjan är, desto lägre blir vattenlösligheten.
Vattenlösligheten för ytaktiva ämnen kan justeras genom att modifiera deras struktur. Att öka lösligheten är möjlig genom att införa en polyoxietylenerad del i molekylen eller genom att korsa Krafft-punkten, vilket är en speciell temperatur över vilken en plötslig ökning av lösligheten på grund av micellbildning inträffar. Vattenlösligheten för ett ytaktivt medel kan reduceras genom att införliva propylenoxid i dess struktur.
Vattenlösligheten i ytaktiva ämnen är också direkt relaterad till värdet för hydrofil-lipofil balans (HLB).
Ytspänning av ytaktiva ämnen
Ytspänning är krafter som verkar på interfasgränsen . Det är en konstant kvantitetsegenskap för varje enskild vätska, starkt beroende av temperaturen och miljön som vätskan är i kontakt med. Ytspänning är ett resultat av en obalans av krafter som verkar på molekylerna som finns på ytan av vätskan och i dess bulk.
Tensidmolekyler adsorberas på ytan av vätskefasen och placerar sig med sina polära huvuden mot huvuddelen av vätskan och med den hydrofoba svansen mot luften. Som ett resultat av ett sådant arrangemang av molekylerna reduceras ytspänningen hos en vätska. När en större mängd av ett ytaktivt ämne tillsätts sprids dess molekyler i hela huvuddelen av vätskan på ett oordnat sätt, tills den kritiska micellkoncentrationen (CMC) överskrids. Molekylerna börjar sedan organisera sig i sfäriska former som kallas miceller .
När koncentrationen av ett ytaktivt ämne i en lösning ökar, sjunker dess ytspänning till en viss nivå och förblir konstant, oavsett eventuell efterföljande ökning av koncentrationen. Nonjoniska ytaktiva medel är de mest effektiva för att minska ytspänningen.
Att känna till den kritiska micellkoncentrationen är mycket viktigt när man använder ytaktiva medel. Detta beror på att det bestämmer den tröskelkoncentration som är mest lämplig för användning i en produkt för ett givet ytaktivt ämne.
Metoder som möjliggör mätning av ytspänning inkluderar den stalagmometriska metoden, metoden för kapillärstigning och metoden med maximalt bubbeltryck.
Skumproducerande egenskaper hos ytaktiva ämnen
De skumproducerande egenskaperna hos ytaktiva ämnen är ytaktiva ämnens förmåga att producera skum. Deras mått är volymen skum som produceras från en lösning som innehåller ytaktiva ämnen under specifika förhållanden. Denna egenskap hos ytaktiva ämnen härrör från deras förmåga att ordna sig i miceller och att stabilisera luftbubblor.
I rena vätskor sker ingen skumningsprocess. För att producera skum införs luft eller annan gas i en vätska med ett lämpligt ytaktivt ämne. Surfaktantmolekyler ordnas sedan på vätske-gas-interfasgränsen. Om koncentrationen av ytaktivt ämne i lösningen är hög, arrangerar molekyler av det ytaktiva medlet sig vinkelrätt mot vätske-gasfasgränsen. De hydrofila “huvudena” placerar sig mot huvuddelen av vätskan, medan de hydrofoba “svansarna” pekar mot luften. När gasbubblor frigörs från vätskefasen adsorberas de ytaktiva molekylerna på gasytan och bildar ett skum.
Tensidernas förmåga att bilda skum beror på flera faktorer, såsom tensidens koncentration och kemiska struktur, lösningens pH-värde, förekomst av andra ingredienser i lösningen samt vattnets hårdhet. Ytaktiva molekyler med en alkylkedja 12–15 atomer lång, eller med en polyoxietylenkedja som innehåller 10–12 oxietylengrupper, har de bästa skumbildande egenskaperna. Å andra sidan har ytaktiva molekyler med en alkylkedja kortare än 10 eller längre än 16 kolatomer de sämsta skumbildande egenskaperna.
Skumningsförmågan hos varje ytaktivt ämne kan justeras genom att modifiera dess struktur. Genom att infoga en polyoxipropylendel i molekylen av ett ytaktivt medel kan vi minska dess skumning, medan en tillsats av etylenoxid ökar den skumbildande förmågan hos ett ytaktivt ämne.
De skumproducerande egenskaperna hos ytaktiva ämnen spelar en viktig roll i många industriella tillämpningar , t.ex. mineralflotation, tvättmedelsproduktion och i livsmedelsindustrin. I vissa fall är skumbildning oönskad eller till och med skadlig. Detta fenomen är ett hinder främst inom textilindustrin, industriella tvätt- och tvättprocesser och i automatiska hemtvättmaskiner. För att avlägsna eller begränsa den ytaktiva skumningsförmågan kan en tillsats av skumdämpande medel användas (t.ex. silikonpreparat eller vissa nonjoniska ytaktiva medel).
Ytaktiva ämnen som tillhör antiskummedel har ett hydrofilt-lipofilt balansvärde inom intervallet 1,5–3. När den skumbildande förmågan hos ytaktiva ämnen testas, utvärderas skumstabilitet och densitet utöver dess volym.
Vätegenskaper hos ytaktiva ämnen
Vätbarhet är en annan karakteristisk egenskap hos ytaktiva medel. Tack vare molekylernas förmåga att minska ytspänningen mellan en vätska och ett fast ämne, och att avlägsna luft från fasta ytor, ökas vätskedroppar på ytan avsevärt. Med andra ord är vätbarhet förmågan hos ytaktiva molekyler och deras lösningar att spridas på ytan de appliceras på. Ett resultat av detta fenomen är en sänkt energibarriär mellan lösningen och den fuktade ytan. Detta fenomen leder till en ökad kontaktyta, vilket förbättrar effektiviteten och hastigheten för en given process.
När en ren vätska jämförs med en med tillsats av ytaktivt medel, är en skillnad i områdena som tas upp av någon av dropparna tydligt synlig.
Tack vare ytaktiva ämnens vätande egenskaper kan textilier vätas med vatten snabbare , vilket påskyndar tvättprocessen. Denna kvalitet används även inom agrokemi (t.ex. vätning av bladytan av den sprutade vätskan), inom färg- och lackindustrin och inom byggindustrin.
Den kvantitet som beskriver en vätskas förmåga att väta fasta ämnen är vätningsvinkeln Θ, som är vinkeln mellan den vätade ytan och vätningsdroppen. När vinkeln är lika med noll betyder det total vätning av en given yta av vätskedroppen. En vinkel 0° < Θ < 90° är karakteristisk för delvis vätande vätskor, medan vinklar 90° < Θ < 180° betyder delvis icke-vätande vätskor. Vätskor helt utan vätningsförmåga har en vätningsvinkel Θ på 180°.
Emulgering
Emulgering innebär bildning av en suspension av två ömsesidigt olösliga och oblandbara ämnen, varav åtminstone en är en vätska. Som ett resultat av denna process bildas ett heterogent dispersivt system , en så kallad emulsion . Om båda komponenterna är vätskor är emulsionen en suspension av droppar av en fas i den andra. En vätska är den kontinuerliga eller externa fasen, den andra – den dispergerade eller inre fasen. För att ett sådant system ska vara stabilt är det emellertid nödvändigt att använda ett ytaktivt ämne, som omger dropparna av en vätska, separerar dem från den andra fasen och förhindrar dem från att kombineras till större aggregat. Detta sker tack vare ordningen av de ytaktiva ämnesmolekylerna. De ordnar sig med det hydrofila huvudet mot det polära lösningsmedlet och med den hydrofoba svansen mot den opolära fasen. Så bildas olja-i-vatten-emulsioner , där den kontinuerliga fasen är polärt vatten med en dispergerad opolär oljefas, eller omvänt – W/O-emulsioner, alltså vatten-i-olja .
Termen emulsion kan inte användas för att beskriva blandningar av gaser eller fasta ämnen i vätskor, suspensioner av silverföreningar i vätskor (s.k. fotografisk emulsion), och blandningar som används i förbränningsmotorer (s.k. bränsle-luft-emulsion).
Emulgermedlets affinitet till oljefasen och vattenfasen ges av HLB-parametern (hydrofil-lipofil balans). Dess värde avgör om ett specifikt ytaktivt medel är bättre på att stabilisera vatten-i-olja eller olja-i-vatten-emulsioner. Emulgeringsmedel med en HLB lägre än 10 stabiliserar vanligtvis vatten-i-olja-emulsioner, medan emulgeringsmedel med en HLB större än 10 stabiliserar olja-i-vatten-emulsioner.
Under en emulgeringsprocess är stabiliteten hos de resulterande emulsionerna och deras lätthet att bilda viktiga frågor. Emulgeringsmedel kan ha ett antal egenskaper och tillämpningar som är användbara för sin avsedda funktion. Krav som ställs på emulgeringsmedel inkluderar: minskning av ytspänningen vid interfasgränsen, förhindrande av inversionsfenomenet, emulsionsstabilisering och avsaknad av toxicitet eller lukt. Vanligtvis har individuella emulgeringsmedel endast några av de önskade egenskaperna, så en blandning av lämpliga emulgeringsmedel används ofta.
Förmågan att bilda emulsioner gör att ytaktiva ämnen kan användas i många industrier. Med detta fenomen kan vi producera kosmetika, färger, lim, fernissor och plaster. Dessutom används ytaktiva ämnen som emulgeringsmedel i metallurgiska, livsmedels-, resursutvinnings-, bränsle-, textil-, kemi-, bygg- och många andra industrier.
Rengöringsmedel
Rengöring är en process för att avlägsna orenheter . Det sker med deltagande av ytaktiva ämnen, som omger smutspartiklar, placerade med de opolära svansarna, dvs deras kolvätekedjor mot dem. Därefter bryter de smutsen från ytan och omger den från alla sidor och bildar en micell . En på så sätt framställd emulsion gör det lätt att ta bort orenheter.
Observera att ytaktiva ämnen uppvisar en synergistisk effekt när de kombineras med andra ytaktiva ämnen. Synergism är ett fenomen där effekten av två eller flera komponenter är större än summan av deras individuella effekter taget separat.
