Indeling van oppervlakteactieve stoffen en hun toepassingen

Oppervlakteactieve stoffen (surfactanten, ook SAA – Surface Active Agents) komen veel voor in onze omgeving, vooral als bestanddeel van reinigingsmiddelen en cosmetica. Wat kenmerkt deze groep chemische verbindingen? Hoe worden ze ingedeeld en hoe kunnen de verschillende soorten oppervlakteactieve stoffen worden toegepast?

Wat zijn oppervlakteactieve stoffen?

Oppervlakteactieve stoffen, ook wel surfactanten genoemd, zijn chemische stoffen waarvan het belangrijkste kenmerk is dat ze de oppervlakte- of grensvlakspanning tussen verschillende stoffen verlagen. Deze werking is te danken aan de specifieke structuur van de moleculen – ze hebben een polair deel (hydrofiele, in water oplosbare ‘kop’) en een apolair deel (hydrofobe, in water onoplosbare ‘staart’). Het polaire deel is meestal een zuurrest, terwijl het apolaire deel een organisch zout is.

In de context van oppervlakteactieve stoffen en hun toepassingen zijn de volgende eigenschappen van belang:

• Hoge oplosbaarheid in veel stoffen of mengsels van stoffen,
• Vermogen om emulsies en micellen te vormen,
• Sterke adsorptieve eigenschappen,
• Toxiciteit voor micro-organismen,
• Gevoeligheid voor chemische of biologische afbraak, waardoor hun schadelijkheid voor het milieu afneemt.

Welke rol spelen oppervlakteactieve stoffen?

Door hun specifieke eigenschappen vervullen oppervlakteactieve stoffen verschillende functies. Ze kunnen worden gebruikt als schuimvormende, wassende, emulgerende en solubiliserende middelen, maar ook als bevochtigings- en dispergeermiddelen. Daarnaast hebben ze adsorptieve, antiklontervormende, antistatische en verzachtende eigenschappen.

Bij de toepassing van oppervlakteactieve stoffen is het begrip HLB-index (Hydrophile-Lipophile Balance) belangrijk. Deze verwijst naar de hydrofiel-hydrofobe balans. Hoe hoger de HLB-waarde, hoe hydrofieler de verbinding is en hoe beter ze in water oplost; hoe lager de waarde, hoe hydrofober ze is en hoe beter ze in oliën oplost. Verbindingen met een hoge HLB worden meestal gebruikt als solubilisatoren en wasmiddelen, terwijl verbindingen met een lagere index worden gebruikt als bevochtigings-, coatings- en antischuimmiddelen.

Oppervlakteactieve stoffen worden ook gebruikt om colloïden, schuimen en emulsies te verkrijgen. Een emulsie is een systeem van twee vloeistoffen die niet mengen. Dit ogenschijnlijk homogene mengsel bestaat uit druppels van de ene stof die in de andere zijn gesuspendeerd. Afhankelijk van het medium en het gewenste type emulsie kunnen oppervlakteactieve stoffen met verschillende HLB-waarden als emulgator worden gebruikt. De winkel van Foodcom biedt veel soorten oppervlakteactieve stoffen met uiteenlopende toepassingen.

Oppervlakteactieve stoffen komen ook van nature voor. In de longen verlagen deze uit lipoproteïnen opgebouwde verbindingen de spanning in de longblaasjes, waardoor deze goed kunnen functioneren

Indeling van oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen worden doorgaans ingedeeld op basis van hun chemische structuur. Ze kunnen ook worden ingedeeld naar herkomst – hernieuwbaar of niet-hernieuwbaar –, als gemakkelijk afbreekbaar of moeilijk/niet afbreekbaar, en naar mogelijke toepassingen. Soms worden ze ingedeeld op basis van de structuur en het aantal hydrofiele delen en de structuur van de ketens die deze verbinden.

Hieronder presenteren we de meest gebruikte indeling – op basis van chemische structuur. Oppervlakteactieve stoffen worden verdeeld in ionogene en niet-ionogene, waarbij de ionogene verder worden onderverdeeld in anionogene, kationogene en amfotere. Deze indeling levert vier basisgroepen van oppervlakteactieve stoffen op, die hieronder worden beschreven.

Anionogene oppervlakteactieve stoffen

Anionogene oppervlakteactieve stoffen hebben een anionisch hydrofiel deel, wat betekent dat dit een negatieve lading draagt. Dankzij hun goede biologische afbreekbaarheid zijn dit de meest gebruikte oppervlakteactieve stoffen.

Binnen deze categorie worden zes subgroepen onderscheiden, waaronder verbindingen met twee of drie hydrofiele groepen in het molecuul. Afhankelijk van de subgroep kunnen anionogene oppervlakteactieve stoffen bevochtigende, schuimvormende, wassende of dispergerende eigenschappen hebben.

Voorbeelden van anionogene oppervlakteactieve stoffen zijn het natriumzout van 2-ethylhexanolsulfaat, het natriumzout van gesulfateerde decylalcohol, het natriumzout van alkylbenzeensulfonzuur en natriumlaurylsulfaat. In cosmetica worden ze vermeld onder afkortingen zoals SLS of SLES.

Deze stoffen kunnen worden gebruikt als bestanddeel van zeep, waspoeders en andere reinigings-, afwas- en wasmiddelen. Ze kunnen irriterende eigenschappen hebben en worden daarom vaak gecombineerd met andere oppervlakteactieve stoffen die hun werking verzachten.

Kationogene oppervlakteactieve stoffen

Kationogene oppervlakteactieve stoffen hebben een kationisch hydrofiel deel, wat betekent dat ze een positieve lading dragen. Ze worden minder vaak gebruikt vanwege hun slechtere biologische afbreekbaarheid en grotere schadelijkheid voor het milieu.

De meest voorkomende kationogene oppervlakteactieve stoffen zijn gebaseerd op quaternaire ammoniumzouten. Andere voorbeelden zijn benzalkoniumchloriden en cetyltrimethylammoniumbromide.

Kationogene oppervlakteactieve stoffen hebben zwakke schuimvormende en wassende eigenschappen, maar kunnen worden gebruikt als verdikkingsmiddelen, emulgatoren, dispergeermiddelen en als biocide en antistatische middelen. Ze worden vaak aangetroffen in haarverzorgingsproducten, zoals conditioners en shampoos, om statische elektriciteit te helpen verminderen. Ze kunnen ook een gladmakende, verzorgende, desinfecterende en bacteriedodende werking hebben.

Amfotere oppervlakteactieve stoffen

Amfotere oppervlakteactieve stoffen hebben een hydrofiele groep met zowel positieve als negatieve ladingen. De vorm die ze aannemen, hangt af van de pH van de oplossing waarin ze zich bevinden.

Voorbeelden van amfotere oppervlakteactieve stoffen zijn derivaten van betaïne (een stof met veel toepassingen, waaronder het verhogen van de productie van zoutzuur in de maag): alkylbetaïnen, sulfobetaïnen en alkylamidobetaïnen, die geurneutraliserende en bacteriedodende eigenschappen hebben.

Van de genoemde groepen zijn amfotere oppervlakteactieve stoffen het minst schadelijk en verminderen ze de irriterende werking van andere oppervlakteactieve stoffen. Ze schuimen goed, hebben uitstekende verdikkende eigenschappen en een hoge oplosbaarheid in water. Ze zijn bestanddeel van kindershampoos, producten voor intieme hygiëne en autoverzorgingsproducten.

Niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen

Niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen hebben een niet-ionisch hydrofiel deel. Ze kenmerken zich door een goede biologische afbreekbaarheid. Ze kunnen uiteenlopende eigenschappen hebben en worden daarom in een breed scala aan sectoren gebruikt – in de chemische, textiel-, metaal- en cosmetische industrie.

Meestal hebben ze goede emulgerende en bevochtigende eigenschappen en werken ze ook als effectieve detergenten. In de cosmetologie worden ze gebruikt bij de productie van shampoos en wasmiddelen, vaak samen met anionogene oppervlakteactieve stoffen om de irriterende werking daarvan te verminderen.

Een voorbeeld van zo’n verbinding is polysorbaat 20, dat als emulgator wordt gebruikt in de cosmetische en farmaceutische industrie. Het doel ervan is de textuur en stabiliteit te verbeteren van cosmetica zoals crèmes, deodorants, babyoliën en haarverzorgingsproducten.

Productie van oppervlakteactieve stoffen

Vroeger werden oppervlakteactieve stoffen uitsluitend uit petrochemische grondstoffen geproduceerd. Een groter milieubewustzijn en wereldwijde initiatieven ter vermindering van de CO2-uitstoot hebben ertoe geleid dat ze tegenwoordig voornamelijk worden gewonnen uit koolwaterstoffen en vetzuren van plantaardige oorsprong. Ook is het mogelijk biosurfactanten te produceren: oppervlakteactieve verbindingen die met behulp van micro-organismen in biotechnologische processen worden gemaakt.

Voorbeelden van de toepassing van plantaardige oppervlakteactieve stoffen zijn afwasmiddelen en toevoegingsmiddelen voor herbiciden op basis van koolzaadolie.

Toepassingen van oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen worden in veel industrieën gebruikt, maar ook in huishoudens. Hieronder bespreken we de populairste toepassingen van oppervlakteactieve stoffen.

Cosmetische industrie

In de cosmetische industrie zijn de schuimvormende, dispergerende en emulgerende eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen van groot belang. Ze worden gebruikt in shampoos en wasmiddelen, waardoor uiteenlopende verontreinigingen effectief van het lichaamsoppervlak of het haar kunnen worden verwijderd. Ook worden ze als emulgator in cosmetica gebruikt. Dankzij hun biostatische en biocide eigenschappen worden ze bovendien gebruikt om cosmetische preparaten tegen micro-organismen te beschermen. Oppervlakteactieve stoffen voor de productie van cosmetica zijn verkrijgbaar in de winkel van Foodcom.

Huishoudchemie

In de huishoudchemie fungeren oppervlakteactieve stoffen als detergenten. Ze worden gebruikt als reinigings-, afwas- en wasmiddelen, maar ook als verdikkingsmiddelen en wasverzachters. Daarnaast bieden ze bescherming tegen micro-organismen.

Metaal- en olie-industrie

Oppervlakteactieve stoffen worden ook in de olie-industrie gebruikt bij de exploitatie van olievoorkomens en de ontzouting van ruwe olie, waarbij ze als demulgator fungeren. Ze dienen ook als additieven voor aardolieproducten. In de metallurgie worden ze gebruikt voor het reinigen van metalen oppervlakken.

Overige toepassingen

Naast de genoemde toepassingen hebben oppervlakteactieve stoffen nog tal van andere industriële toepassingen. In de textielindustrie worden ze gebruikt als bevochtigings-, was-, emulgeer- en dispergeermiddelen en als hulpmiddelen bij het zacht maken en verven van stoffen. In de voedingsmiddelenindustrie worden ze gebruikt als emulgatoren, stabilisatoren en schuimvormers. In de micro-elektronica worden ze gebruikt bij de productie van halfgeleidermaterialen en magnetische deeltjes, en in de auto-industrie bij de vervaardiging van autoshampoos en anti-verdampingsformuleringen voor voorruiten. Ze worden ook gebruikt bij de productie van verven, vernissen en antimicrobiële houtbeschermingsmiddelen en als bestanddeel van pesticiden.

Ontharden oppervlakteactieve stoffen hard water?

Oppervlakteactieve stoffen hebben een verzachtende werking. Ze ontharden hard water door de daarin aanwezige moleculen te adsorberen, waardoor het te wassen oppervlak beter wordt bevochtigd en vuildeeltjes gemakkelijker in het water oplossen. Hard water leidt echter tot een hoger verbruik van oppervlakteactieve stoffen die als detergent worden gebruikt – de hoeveelheid die nodig is voor het juiste schuim- en wasresultaat is groter dan bij gebruik van zacht water. Daarom gebruiken fabrikanten van waspoeders, detergenten en wasmiddelen vaak additieven in de vorm van waterontharders, zoals een oplossing van natriumzouten van acryl-maleïnecopolymeren of zeolieten.

Schadelijkheid van oppervlakteactieve stoffen

Door de eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen en hun hoge oplosbaarheid in verschillende media kunnen verbindingen die niet volledig zijn afgebroken vrij in de natuur circuleren. Ze worden aangetroffen in zowel afvalwater als gezuiverd water, grondwater en oppervlaktewater, maar ook in bodems, van waaruit ze in planten en levende organismen terechtkomen. Oppervlakteactieve stoffen hopen zich gemakkelijk op in organismen, wat kan leiden tot het gevaarlijke verschijnsel van bioconcentratie.

Oppervlakteactieve stoffen kunnen ook een irriterende werking hebben op de menselijke huid. Dit geldt vooral voor preparaten die aanzienlijke hoeveelheden oppervlakteactieve stoffen bevatten, zoals huishoudchemicaliën. Blootstelling aan dergelijke verbindingen kan leiden tot irritatie en allergische reacties. De oppervlakteactieve stoffen in cosmetica en lichaamsreinigingsmiddelen behoren tot de groep die mild is voor de huid.

Oppervlakteactieve stoffen worden in veel verschillende sectoren gebruikt. Bij het kiezen van de juiste verbinding is het belangrijk rekening te houden met de eigenschappen ervan, de pH van het product, de HLB-index en de CMC, die iets zegt over het vermogen van de oppervlakteactieve stof om micellen te vormen. Ook moet rekening worden gehouden met de bijwerkingen van een verbinding, de irriterende werking en mogelijke additieven om deze negatieve effecten te verzachten. Tegenwoordig is ook zorg voor het milieu van cruciaal belang; daarom is het goed om voor de productie te kiezen voor verbindingen van plantaardige of microbiële oorsprong die gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn.