توجد المواد الخافضة للتوتر السطحي (ZPCs أو SPCs) بشكل شائع في محيطنا – وهي تدخل بشكل أساسي في منتجات التنظيف ومستحضرات التجميل. ما هي خصائص هذه المجموعة من المركبات الكيميائية؟ وما هو تصنيفها وما الذي يمكننا استخدام الأنواع المختلفة من المواد الخافضة للتوتر السطحي فيه؟
ما هي المواد الخافضة للتوتر السطحي؟
المواد الخافضة للتوتر السطحي، والمعروفة أيضاً باسم المواد الخافضة للتوتر السطحي أو SAA (العوامل النشطة السطحية)، هي مواد كيميائية تتمثل ميزتها الرئيسية في تقليل التوتر السطحي أو البيني في الواجهة بين المواد المختلفة. ويرجع هذا العمل إلى التركيب المحدد لجزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي – فهي تحتوي على جزء قطبي (رأس محب للماء وقابل للذوبان في الماء) وجزء غير قطبي (ذيل كاره للماء وغير قابل للذوبان في الماء). وعادةً ما يكون الجزء القطبي عبارة عن بقايا حمضية، بينما يكون الجزء غير القطبي عبارة عن ملح عضوي.
في سياق المواد الخافضة للتوتر السطحي وتطبيقاتها، تكون الخصائص التالية ذات صلة:
- قابلية ذوبان عالية في العديد من المواد أو مخاليط المواد,
- القدرة على تكوين المستحلبات والمذيلات,
- خصائص الامتصاص القوية
- السمية للكائنات الدقيقة
- قابلية التحلل الكيميائي أو التحلل الحيوي، مما يقلل من ضررها على البيئة.
ما الدور الذي تلعبه المواد الخافضة للتوتر السطحي؟
تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي بوظائف متنوعة بسبب خصائصها المحددة. ويمكن استخدامها كعوامل رغوة، وعوامل غسيل، ومستحلبات، ومواد مذيبة، وعوامل ترطيب وتشتيت. كما أن لها أيضًا خصائص امتصاصية ومضادة للتكتل ومضادة للتكتل ومضادة للكهرباء الساكنة ومضادة للتنعيم.
وفي سياق استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي، فإن مفهوم مؤشر توازن المواد الخافضة للتوتر السطحي (HLB)، الذي يتحدث عن التوازن بين محبة الماء وكراهية الماء، مهم. كلما ارتفعت قيمة HLB، كلما كانت قيمة HLB أعلى، كلما كان المركب أكثر محبة للماء وأفضل قابلية للذوبان في الماء، وكلما انخفضت قيمة HLB، كلما كان المركب أكثر كراهية للماء وأفضل قابلية للذوبان في الزيت. وعادةً ما تستخدم المركبات ذات قيمة HLB العالية كمذيبات وعوامل غسيل، بينما تستخدم المركبات ذات قيمة HLB الأقل كعوامل ترطيب وطلاء ومضادة للرغوة.
وتستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي أيضًا لإنتاج الغرويات والرغاوي والمستحلبات. المستحلب هو نظام مكون من سائلين لا يختلطان. يتكون هذا الخليط المتجانس ظاهريًا من قطرات من مادة معلقة في الأخرى. واعتمادًا على الوسط ونوع المستحلب المطلوب، يمكن استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات قيم HLB مختلفة كمستحلبات. تقدم شركة Foodcom S.A. العديد من أنواع المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات الاستخدامات المختلفة.
كما توجد المواد الخافضة للتوتر السطحي في الطبيعة. في الرئتين، تقلل هذه المركبات، التي تتكون من البروتينات الدهنية، من التوتر في الحويصلات الهوائية، مما يمكنها من العمل بشكل صحيح.
تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي
عادةً ما يتم تقسيم المواد الخافضة للتوتر السطحي وفقاً لتركيبها الكيميائي. ويمكن التمييز أيضاً بين المركبات المشتقة من مصادر متجددة أو غير متجددة، والمركبات القابلة للتحلل بسهولة أو المركبات الصعبة/غير القابلة للتحلل، ويمكن تقسيمها أيضاً وفقاً لاستخداماتها الممكنة. وأحيانًا يتم التمييز أيضًا وفقًا لبنية وعدد الأجزاء المحبة للماء وبنية السلاسل التي تربطها.
وفيما يلي التصنيف الأكثر استخدامًا – حسب التركيب الكيميائي. تنقسم المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى أيونية وغير أيونية، وتنقسم الأيونية منها إلى: الأنيونية والكاتيونية والمذبذبة. ينتج عن هذا التصنيف المجموعات الأربع الأساسية للمواد الخافضة للتوتر السطحي الموضحة أدناه.
خافضات التوتر السطحي الأنيونية
تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية على جزء أنيوني محب للماء، أي شحنة سالبة. ونظراً لقابليتها الجيدة للتحلل البيولوجي، فهي أكثر المواد الخافضة للتوتر السطحي استخداماً.
هناك ست مجموعات فرعية هنا، بما في ذلك المركبات التي تحتوي على مجموعتين أو ثلاث مجموعات محبة للماء في الجزيء. واعتمادًا على المجموعة الفرعية، يمكن أن يكون للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية الخصائص التالية: الترطيب، والرغوة، والغسيل، والتشتت.
ومن الأمثلة على المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية: ملح الصوديوم لكبريتات 2-إيثيل هكسانول، ملح الصوديوم لكحول ديسيل الكبريت، ملح الصوديوم لحمض الألكيل بنزين سلفونيك، كبريتات لوريل الصوديوم. تظهر في تركيبة مستحضرات التجميل تحت اختصارات مثل SLS أو SLES.
يمكن استخدام هذه المواد كمكونات في الصابون ومساحيق الغسيل وغيرها من منتجات التنظيف والغسيل والغسيل. يمكن أن تكون مهيجة ولذلك غالباً ما يتم دمجها مع مواد أخرى خافضة للتوتر السطحي للتخفيف من آثارها.
المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة
تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة على جزء كاتيوني محب للماء، أي شحنة موجبة. يتم استخدامها بشكل أقل تواتراً بسبب ضعف قابليتها للتحلل الحيوي وبالتالي تأثيرها البيئي الأكبر.
تعتمد المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة الأكثر شيوعًا على أملاح الأمونيوم الرباعية. ومن الأمثلة الأخرى كلوريدات البنزالكونيوم وبروميد السيتيل تريميثيل الأمونيوم.
وتتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجبة بخصائص رغوة وغسيل ضعيفة، ولكن يمكن استخدامها كمكثفات ومستحلبات ومشتتات ومركبات مبيدات حيوية ومضادات للكهرباء الساكنة. وغالباً ما توجد في تركيبات منتجات الشعر، مثل البلسم والشامبو للمساعدة في التخلص من الشعر الساكن. كما يمكن أن يكون لها تأثيرات ملطفة ومرطبة ومطهرة ومضادة للبكتيريا.
المواد المذبذبة الخافضة للتوتر السطحي
تحتوي المواد المذبذبة الخافضة للتوتر السطحي على مجموعة محبة للماء ذات شحنة موجبة وسالبة. ويعتمد الشكل الذي يتخذه المركب على الرقم الهيدروجيني للمحلول الموجود فيه.
ومن الأمثلة على المواد المذبذبة الخافضة للتوتر السطحي مشتقات البيتين (وهي مادة لها العديد من الاستخدامات، بما في ذلك زيادة إنتاج حمض الهيدروكلوريك في المعدة): ألكيل بيتين وسلفانيتين وألكيلاميدوبيتين، والتي لها خصائص مزيلة للروائح ومبيدة للجراثيم.
من بين المجموعات المذكورة أعلاه، تعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة هي الأقل ضرراً، كما أنها تقلل من التأثير المهيج للمواد الأخرى الخافضة للتوتر السطحي. وهي ذات رغوة جيدة ولها خصائص تكثيف ممتازة وقابلية عالية للذوبان في الماء. وهي تدخل في مكونات شامبو الأطفال ومستحضرات النظافة الحميمة ومنتجات تنظيف السيارات.
المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية
تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية على جزء غير أيوني محب للماء. وتتميز بقابليتها الجيدة للتحلل الحيوي. يمكن أن يكون لها خصائص مختلفة وبالتالي فهي تستخدم في مجموعة واسعة من الصناعات – الكيميائية والمنسوجات والمعدنية ومستحضرات التجميل.
وعادةً ما تتمتع بخصائص استحلاب وترطيب جيدة، كما أنها تعمل كمنظفات جيدة. في مستحضرات التجميل، يتم استخدامها في صناعة الشامبو ومواد التنظيف، وغالبًا ما توجد مع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية لتقليل تأثيرها المهيج.
ومن الأمثلة على هذا المركب بولي سوربات 20، الذي يستخدم كمستحلب في صناعات مستحضرات التجميل والصناعات الدوائية. وتتمثل وظيفته في تحسين قوام وثبات مستحضرات التجميل مثل الكريمات ومزيلات العرق وزيوت الأطفال ومنتجات العناية بالشعر.
إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي
تاريخياً، كان يتم إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي من المواد الخام البتروكيماوية فقط. وقد أدى الاهتمام المتزايد بالبيئة والمبادرات العالمية للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى الحصول عليها الآن بشكل رئيسي من الهيدروكربونات والأحماض الدهنية من أصل نباتي. ومن الممكن أيضًا إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي الحيوي، أي المواد الخافضة للتوتر السطحي المنتجة من الكائنات الحية الدقيقة من خلال عمليات التكنولوجيا الحيوية.
ومن الأمثلة على استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي المشتقة من النباتات سوائل غسل الصحون والمواد المضافة لمبيدات الأعشاب التي تعتمد على زيت بذور اللفت.
تطبيقات المواد الخافضة للتوتر السطحي
وجدت المواد الخافضة للتوتر السطحي تطبيقات في العديد من الصناعات وكذلك في المنازل. وترد أدناه مناقشة الاستخدامات الأكثر شيوعاً للمواد الخافضة للتوتر السطحي.
صناعة مستحضرات التجميل
تعتبر خصائص الرغوة والتشتيت والاستحلاب للمواد الخافضة للتوتر السطحي ذات أهمية كبيرة في صناعة مستحضرات التجميل. تُستخدم في الشامبو والمنظفات، مما يسمح بإزالة الشوائب المختلفة من الجسم أو الشعر بشكل فعال. كما أنها تستخدم كمستحلبات في مستحضرات التجميل. ونظرًا لخصائصها الحيوية والمبيدات الحيوية، فإنها تستخدم أيضًا لحماية مستحضرات التجميل من الكائنات الحية الدقيقة.
مقالة يوصى بقراءتها: أنواع المكونات في مستحضرات التجميل ووظائفها
الكيمياء المنزلية
في الصناعة الكيميائية المنزلية، تعمل المواد الخافضة للتوتر السطحي كمنظفات. وهي تُستخدم كعوامل غسيل ومنظفات وتنظيف، بالإضافة إلى عوامل تكثيف وتليين. كما أنها تحمي من الكائنات الحية الدقيقة.
الصناعات المعدنية والبترولية
تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي أيضاً في الصناعات البترولية – في عمليات حقول النفط وتحلية النفط، كعامل مزيل للاستحلاب. كما أنها مواد مضافة إلى المنتجات البترولية. ومن ناحية أخرى، تُستخدم في علم المعادن لتنظيف الأسطح المعدنية.
تطبيقات أخرى
بالإضافة إلى ذلك، فإن للمواد الخافضة للتوتر السطحي عدد من الاستخدامات الأخرى في الصناعة. في صناعة المنسوجات، تُستخدم كعوامل ترطيب وغسيل واستحلاب وتشتيت المواد الخافضة للتوتر السطحي وكذلك كعوامل مساعدة لتنعيم الأقمشة والصباغة. وفي صناعة الأغذية، تُستخدم كمستحلبات ومثبتات وعوامل رغوة. وفي مجال الإلكترونيات الدقيقة، تُستخدم في إنتاج المواد شبه الموصلة والجسيمات المغناطيسية، وفي صناعة السيارات لتصنيع شامبو السيارات والتركيبات المضادة للتبخر. كما أنها تُستخدم في إنتاج الدهانات والورنيش والمواد الحافظة للأخشاب المضادة للميكروبات وكمكونات في مبيدات الآفات.
هل تعمل المواد الخافضة للتوتر السطحي على تليين الماء العسر؟
للمواد الخافضة للتوتر السطحي تأثير ملين. فهي تعمل على تليين الماء العسر عن طريق امتصاص الجزيئات الموجودة فيه، مما يجعل السطح المغسول أكثر رطوبة وجزيئات الأوساخ أكثر سهولة في الماء. ومع ذلك، فإن الماء العسر يؤدي إلى استهلاك أعلى للمواد الخافضة للتوتر السطحي المستخدمة كمنظفات – كمية المواد الخافضة للتوتر السطحي اللازمة لتحقيق رغوة كافية وتأثير الغسيل أو الغسيل أكبر مما هو عليه عند استخدام الماء العسر. ولهذا السبب، غالبًا ما تستخدم الشركات المصنعة لمساحيق الغسيل والمنظفات والمنظفات مواد مضافة في شكل ملينات الماء، مثل محلول ملح الصوديوم من بوليمرات أكريليت-ماليت كوبوليمرات أو الزيوليت.
ضرر المواد الخافضة للتوتر السطحي
نظرًا لخصائص المواد الخافضة للتوتر السطحي وقابليتها العالية للذوبان في مختلف الوسائط، يمكن للمركبات التي لم تتحلل تمامًا أن تنتشر بحرية في الطبيعة. ويتم اكتشافها في كل من مياه الصرف الصحي والمياه المعالجة والمياه الجوفية والمياه السطحية وفي التربة، حيث ينتهي بها المطاف في النباتات والكائنات الحية. تتراكم المواد الخافضة للتوتر السطحي بسهولة في الكائنات الحية، مما قد يؤدي إلى ظاهرة خطيرة تتمثل في التركيز الحيوي.
كما يمكن أن يكون للمواد الخافضة للتوتر السطحي تأثير مهيج على جلد الإنسان. وهذا ينطبق بشكل خاص على المستحضرات التي تحتوي على كميات كبيرة من المواد الخافضة للتوتر السطحي، مثل المواد الكيميائية المنزلية. يمكن أن يؤدي التعرض لهذه المركبات إلى تهيج الجلد وردود الفعل التحسسية. تنتمي المواد الخافضة للتوتر السطحي الموجودة في مستحضرات التجميل ومنظفات الجسم إلى مجموعة المواد الخافضة للتوتر السطحي الخفيفة على البشرة.
تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في العديد من الصناعات المختلفة. عند اختيار المركب المناسب، من المهم النظر في خصائصه ودرجة حموضة المنتج ومؤشر HLB ومؤشر CMC الذي يخبرك عن قدرة المادة الخافضة للتوتر السطحي على تكوين المذيلات. من المهم أيضًا مراعاة الآثار الجانبية للمركب وتأثيراته المهيجة والإضافات المحتملة للتخفيف من هذه الآثار السلبية. في الوقت الحاضر، من المهم أيضًا الاهتمام بالبيئة، لذلك من الجيد اختيار مركبات من أصل نباتي أو ميكروبي وقابلة للتحلل بسهولة لإنتاجها.
