Klasyfikacja środków powierzchniowo czynnych i ich zastosowania

W skrócie: środki powierzchniowo czynne (surfaktanty, tenzydy, SPC) to związki, których cząsteczki mają część hydrofilową („głowę”) i hydrofobową („ogon”). Dzięki temu gromadzą się na granicy faz, obniżają napięcie powierzchniowe i działają jako środki myjące, pianotwórcze, zwilżające, emulgujące i solubilizujące. Według ładunku części hydrofilowej dzieli się je na cztery grupy: anionowe (np. SLS, SLES), kationowe (np. chlorek benzalkoniowy), amfoteryczne (np. cocamidopropyl betaine) i niejonowe (np. polisorbat 20, glukozydy, PEG-6 caprylic/capric glycerides). Stosuje się je w kosmetykach, chemii gospodarczej, żywności, farmacji i przemyśle.

Co to są środki powierzchniowo czynne?

Środki powierzchniowo czynne, nazywane też surfaktantami (ang. surfactants, od surface active agents), tenzydami lub substancjami powierzchniowo czynnymi (SPC), to związki chemiczne, które obniżają napięcie powierzchniowe cieczy oraz napięcie międzyfazowe, np. między wodą a olejem. Czysta woda ma napięcie powierzchniowe ok. 72 mN/m, a dodatek surfaktantu może obniżyć je do ok. 25–35 mN/m.

Takie działanie wynika z budowy cząsteczki, nazywanej amfifilową. Każda cząsteczka surfaktantu ma:

• część hydrofilową („głowę”) – polarną, dobrze oddziałującą z wodą; może mieć ładunek ujemny, dodatni, oba ładunki lub być obojętna,
• część hydrofobową („ogon”) – niepolarną, zwykle łańcuch węglowodorowy z 8–18 atomami węgla, który „ucieka” od wody i wiąże się z tłuszczami.

Surfaktanty występują też w przyrodzie. Przykładem jest surfaktant płucny – mieszanina fosfolipidów i białek, która pokrywa pęcherzyki płucne i zapobiega ich zapadaniu się przy wydechu. Naturalnymi związkami powierzchniowo czynnymi są również lecytyna, saponiny i kwasy żółciowe.

Jak działają środki powierzchniowo czynne?

W roztworze wodnym cząsteczki surfaktantu najpierw gromadzą się na powierzchni wody i na granicy faz – „głowami” w stronę wody, „ogonami” na zewnątrz lub w stronę oleju. Gdy powierzchnia jest wysycona, a stężenie przekroczy tzw. krytyczne stężenie micelizacji (CMC), cząsteczki zaczynają łączyć się w micele – kuliste skupiska z hydrofobowym wnętrzem. W micelach zamyka się tłuszcz i brud, które można potem spłukać wodą.

Z tego mechanizmu wynikają główne funkcje surfaktantów:

• mycie i pranie – odrywanie i usuwanie tłustych zanieczyszczeń,
• zwilżanie – ciecz łatwiej rozpływa się po powierzchni i wnika w pory,
• emulgowanie – tworzenie i stabilizowanie emulsji olej w wodzie (O/W) lub woda w oleju (W/O),
• pienienie lub odpienianie – stabilizowanie piany albo jej rozbijanie,
• solubilizacja – rozpuszczanie w wodzie olejków eterycznych, aromatów czy witamin,
• dyspergowanie – utrzymywanie cząstek stałych, np. pigmentów, w zawiesinie,
• kondycjonowanie i działanie antystatyczne – głównie surfaktanty kationowe.

Jak klasyfikuje się środki powierzchniowo czynne?

Najczęściej stosowana klasyfikacja opiera się na budowie chemicznej, a dokładnie na ładunku części hydrofilowej. Surfaktanty dzielą się na jonowe i niejonowe, a jonowe – na trzy rodzaje: anionowe, kationowe i amfoteryczne. Razem daje to cztery podstawowe grupy:

Surfaktanty można też dzielić według pochodzenia (petrochemiczne, oleochemiczne z olejów roślinnych, biosurfaktanty wytwarzane przez mikroorganizmy), podatności na biodegradację, liczby grup hydrofilowych (np. surfaktanty dimerowe, tzw. gemini) lub według zastosowania.

Co to są anionowe środki powierzchniowo czynne?

Anionowe środki powierzchniowo czynne mają w części hydrofilowej grupę o ładunku ujemnym – najczęściej siarczanową, sulfonianową lub karboksylową. To najczęściej stosowana grupa surfaktantów, bo są tanie, bardzo dobrze myją i obficie się pienią. Najważniejsze przykłady:

• SLS (Sodium Lauryl Sulfate, laurylosiarczan sodu) – silny środek myjący i pianotwórczy,
• SLES (Sodium Laureth Sulfate, laurylosiarczan eterowy sodu) – łagodniejsza, etoksylowana odmiana SLS, podstawa wielu szamponów i żeli,
• LAS (liniowe alkilobenzenosulfoniany sodu) – główny składnik proszków i płynów do prania,
• mydła – sodowe i potasowe sole kwasów tłuszczowych, o których piszemy w artykule Mydło sodowe – właściwości i zastosowanie,
• łagodniejsze anionowe surfaktanty kosmetyczne: Sodium Cocoyl Isethionate, Sodium Lauroyl Sarcosinate, Disodium Laureth Sulfosuccinate.

Surfaktanty anionowe są wrażliwe na twardą wodę – z jonami wapnia i magnezu tworzą trudno rozpuszczalne sole, co osłabia ich działanie. Mogą też przesuszać i podrażniać skórę, dlatego w kosmetykach łączy się je z łagodniejszymi surfaktantami amfoterycznymi lub niejonowymi.

Do sulfonowania przy produkcji LAS i siarczanowania alkoholi tłuszczowych używa się m.in. trójtlenku siarki i oleum, o których piszemy w artykule Jak działa kwas siarkowy: produkcja, zastosowania i środki bezpieczeństwa.

Co to są kationowe środki powierzchniowo czynne?

Kationowe środki powierzchniowo czynne mają w części hydrofilowej ładunek dodatni – zwykle są to czwartorzędowe sole amoniowe (tzw. QUAT-y). Przykłady to chlorek benzalkoniowy, bromek cetylotrimetyloamoniowy (CTAB), Cetrimonium Chloride, Behentrimonium Chloride oraz esterquaty stosowane w płynach do płukania tkanin.

Większość powierzchni – włosy, skóra, włókna tekstylne – ma w wodzie ładunek ujemny, dlatego surfaktanty kationowe dobrze się na nich osadzają. Zmniejszają elektryzowanie się włosów i tkanin, wygładzają je i ułatwiają rozczesywanie. Wiele z nich działa też bakteriobójczo, dlatego są składnikami środków dezynfekujących i konserwujących. Słabo myją i się pienią, a z surfaktantami anionowymi tworzą nierozpuszczalne kompleksy, więc zwykle nie łączy się ich w jednym produkcie.

Starsze surfaktanty kationowe były trudno biodegradowalne i toksyczne dla organizmów wodnych. Dlatego w płynach do płukania zastąpiono je esterquatami, które łatwiej ulegają rozkładowi.

Co to są amfoteryczne środki powierzchniowo czynne?

Amfoteryczne (zwitterjonowe) środki powierzchniowo czynne mają w cząsteczce jednocześnie grupę o ładunku dodatnim i ujemnym. Ich charakter zależy od pH: w środowisku kwaśnym zachowują się jak surfaktanty kationowe, w zasadowym – jak anionowe.

Najważniejszym przykładem jest cocamidopropyl betaine (CAPB, kokamidopropylobetaina) – to surfaktant amfoteryczny, otrzymywany z kwasów tłuszczowych oleju kokosowego. Do tej grupy należą też Coco-Betaine, Cocamidopropyl Hydroxysultaine, Sodium Cocoamphoacetate i Sodium Lauroamphoacetate. Amfoteryczna jest również naturalna lecytyna.

Surfaktanty amfoteryczne są łagodne dla skóry i oczu, dobrze się pienią i zagęszczają roztwory surfaktantów anionowych. Dodane do SLES zmniejszają jego drażniące działanie, dlatego układ SLES + cocamidopropyl betaine to podstawa większości szamponów i żeli pod prysznic. Stosuje się je też w kosmetykach dla dzieci, płynach do higieny intymnej i łagodnych środkach czyszczących.

Co to są niejonowe środki powierzchniowo czynne?

Niejonowe środki powierzchniowo czynne nie mają ładunku elektrycznego. Ich część hydrofilową tworzą zwykle łańcuchy polioksyetylenowe (PEG), reszty glicerolu lub cukrów. Przykłady:

• etoksylowane alkohole tłuszczowe – np. Laureth-7, Ceteareth-20, składniki detergentów i emulsji,
• polisorbaty – np. polisorbat 20 i polisorbat 80, emulgatory i solubilizatory w kosmetykach, lekach i żywności (E432–E436),
• alkilopoliglukozydy (APG) – Decyl Glucoside, Coco-Glucoside, Lauryl Glucoside, łagodne surfaktanty z cukru i alkoholi tłuszczowych,
• PEG-6 Caprylic/Capric Glycerides – niejonowy surfaktant stosowany jako solubilizator i składnik płynów micelarnych i olejków myjących,
• estry glicerolu i cukrów – mono- i diglicerydy kwasów tłuszczowych (E471) oraz estry sacharozy (E473), emulgatory spożywcze,
• estry sorbitanu – np. Sorbitan Oleate (Span 80), emulgatory emulsji W/O.

Surfaktanty niejonowe nie reagują z jonami twardej wody, są kompatybilne z innymi grupami surfaktantów i zwykle łagodne dla skóry. Zazwyczaj mniej się pienią, za to dobrze emulgują i zwilżają. W wyższej temperaturze roztwory etoksylatów mętnieją (tzw. punkt zmętnienia), co trzeba uwzględnić przy recepturach.

Czym jest skala HLB i jak pomaga dobrać surfaktant?

HLB (hydrophilic-lipophilic balance) to liczba opisująca równowagę między częścią hydrofilową i lipofilową cząsteczki. Według skali Griffina dla surfaktantów niejonowych przyjmuje wartości od 0 do 20: im wyższe HLB, tym bardziej związek jest hydrofilowy i rozpuszczalny w wodzie.

Przy wyborze surfaktantu liczy się też CMC (im niższe, tym mniej surfaktantu potrzeba do utworzenia miceli), punkt Kraffta (temperatura, poniżej której surfaktant jonowy słabo się rozpuszcza), zakres pH stabilności i zgodność z innymi składnikami. W emulsjach często łączy się dwa emulgatory – o niskim i wysokim HLB – aby uzyskać wymaganą wartość dla danej fazy olejowej. Więcej o emulgatorach przeczytasz w artykule Emulgatory w kosmetykach – czym są i jakie funkcje pełnią?

Z czego produkuje się środki powierzchniowo czynne?

Surfaktanty otrzymuje się z trzech głównych grup surowców:

• petrochemicznych – z etylenu, benzenu i parafin powstają m.in. LAS i syntetyczne alkohole do etoksylatów,
• oleochemicznych – z olejów roślinnych (kokosowego, palmowego, z ziaren palmowych, rzepakowego) otrzymuje się kwasy i alkohole tłuszczowe, a z nich SLS, SLES, betainy, glukozydy i estry; często łączy się je z surowcami z cukru, np. glukozą w alkilopoliglukozydach,
• biotechnologicznych – biosurfaktanty, np. ramnolipidy, soforolipidy i surfaktyna, wytwarzają bakterie i drożdże; są dobrze biodegradowalne, ale wciąż droższe od surfaktantów klasycznych.

Rosnące wymagania środowiskowe sprawiają, że producenci coraz częściej wybierają surfaktanty pochodzenia roślinnego, łatwo biodegradowalne i z certyfikatami ekologicznymi.

Gdzie stosuje się środki powierzchniowo czynne?

Surfaktanty należą do najważniejszych surowców przemysłu chemicznego. Główne obszary zastosowań:

• kosmetyki – szampony, żele, mydła, płyny micelarne (surfaktanty myjące), kremy i balsamy (emulgatory), odżywki (surfaktanty kationowe); o roli poszczególnych składników piszemy w artykule Rodzaje składników w kosmetykach i ich funkcje,
• chemia gospodarcza – proszki i płyny do prania, płyny do naczyń, środki czyszczące, płyny do płukania tkanin,
• przemysł spożywczy – emulgatory, np. lecytyna (E322), mono- i diglicerydy (E471), estry sacharozy (E473) i polisorbaty; więcej w artykule o lecytynie,
• farmacja i medycyna – emulgatory i solubilizatory w lekach, preparaty surfaktantu płucnego dla wcześniaków, środki dezynfekujące,
• rolnictwo – adiuwanty poprawiające zwilżanie liści i działanie środków ochrony roślin,
• budownictwo – domieszki napowietrzające i środki pianotwórcze do betonu, m.in. do produkcji pianobetonu i lekkich betonów komórkowych,
• przemysł tekstylny, farby i lakiery – środki zwilżające, dyspergujące i barwiące,
• przemysł naftowy i metalurgiczny – deemulgatory w odsalaniu ropy, środki do wspomagania wydobycia, odtłuszczanie metali, chłodziwa.

O sytuacji na rynku i trendach w branży piszemy w artykule Surfaktanty – kluczowe substancje na rynku kosmetycznym i przemysłowym.

Czy środki powierzchniowo czynne zmiękczają twardą wodę?

Nie. Surfaktanty nie usuwają z wody jonów wapnia i magnezu, które odpowiadają za jej twardość. Przeciwnie – twarda woda osłabia działanie surfaktantów anionowych, bo tworzą one z tymi jonami nierozpuszczalne sole. Dobrze widać to na przykładzie mydła, które w twardej wodzie słabo się pieni i zostawia osad (tzw. kamień mydlany).

Dlatego do proszków i płynów do prania oraz tabletek do zmywarek dodaje się substancje zmiękczające wodę, tzw. buildery: zeolity, cytryniany, polikarboksylany (np. kopolimery akrylowo-maleinowe) i fosfoniany. W UE zawartość fosforanów w detergentach do prania i zmywarek dla gospodarstw domowych jest ograniczona przepisami. Surfaktanty niejonowe są na twardą wodę niewrażliwe, dlatego często łączy się je z anionowymi.

Czy środki powierzchniowo czynne są szkodliwe?

Szkodliwość surfaktantów zależy od ich rodzaju, stężenia i sposobu użycia. Dla człowieka najważniejsze jest działanie na skórę i oczy:

• anionowe – najsilniej odtłuszczają i mogą podrażniać skórę, zwłaszcza SLS przy częstym kontakcie; SLES jest łagodniejszy,
• kationowe – mogą podrażniać oczy i skórę w wyższych stężeniach, dlatego w kosmetykach stosuje się je w niskich dawkach,
• amfoteryczne i niejonowe – są najłagodniejsze i zmniejszają drażniące działanie surfaktantów anionowych; reakcje alergiczne na cocamidopropyl betaine zdarzają się rzadko i są wiązane głównie z zanieczyszczeniami z procesu produkcji.

Surfaktanty w kosmetykach są dopuszczone do stosowania w bezpiecznych stężeniach, a w produktach spłukiwanych kontakt ze skórą jest krótki. Etoksylowane surfaktanty (np. SLES, polisorbaty) mogą zawierać śladowe ilości 1,4-dioksanu, dlatego producenci surowców kontrolują jego poziom.

Dla środowiska kluczowa jest biodegradowalność. Surfaktanty, które nie uległy rozkładowi, są toksyczne dla organizmów wodnych i powodują pienienie się wód. W latach 50. i 60. XX wieku problemem były rozgałęzione alkilobenzenosulfoniany, które zastąpiono biodegradowalnymi LAS. Obecnie w UE surfaktanty w detergentach muszą ulegać całkowitej biodegradacji tlenowej, a stosowanie etoksylatów nonylofenolu (NPE), działających jak zaburzacze hormonalne, jest mocno ograniczone. W nowoczesnych oczyszczalniach ścieków większość surfaktantów rozkłada się biologicznie, a w zakładach przemysłowych ich nadmiar i pienienie ogranicza się środkami przeciwpieniącymi.

Jak wybrać środek powierzchniowo czynny do produkcji?

Przy doborze surfaktantu do kosmetyku, detergentu czy produktu spożywczego warto wziąć pod uwagę:

• funkcję – mycie, emulgowanie, solubilizacja, zwilżanie, pienienie lub kondycjonowanie,
• zgodność ładunków – surfaktantów anionowych i kationowych zwykle się nie łączy,
• HLB, CMC i zakres pH – dopasowane do fazy olejowej i receptury,
• łagodność – w kosmetykach często łączy się surfaktant główny z amfoterycznym lub niejonowym,
• pochodzenie i biodegradowalność – surowce roślinne, certyfikaty ekologiczne, zgodność z wymaganiami dla detergentów,
• dopuszczenia – status dodatku do żywności (numer E) lub zgodność z przepisami kosmetycznymi i farmaceutycznymi.

Foodcom dostarcza surowce dla przemysłu kosmetycznego, chemicznego i spożywczego, m.in. polisorbat 20 i lecytynę, z pełną dokumentacją jakościową. W sprawie specyfikacji i dostępności skontaktuj się z naszym zespołem sprzedaży.