Indeling van oppervlakteactieve stoffen en hun toepassingen

In het kort: oppervlakteactieve stoffen (tensiden, surfactanten) zijn verbindingen waarvan de moleculen een hydrofiel deel (de „kop”) en een hydrofoob deel (de „staart”) hebben. Daardoor hopen ze zich op aan grensvlakken, verlagen ze de oppervlaktespanning en werken ze als reinigings-, schuim-, bevochtigings-, emulgeer- en solubiliseermiddel. Naar de lading van het hydrofiele deel worden ze in vier groepen ingedeeld: anionisch (bijv. SLS, SLES), kationisch (bijv. benzalkoniumchloride), amfoteer (bijv. cocamidopropyl betaine) en niet-ionisch (bijv. polysorbaat 20, glucosiden, PEG-6 caprylic/capric glycerides). Ze worden gebruikt in cosmetica, huishoudchemie, levensmiddelen, farmacie en industrie.

Wat zijn oppervlakteactieve stoffen?

Oppervlakteactieve stoffen, ook wel surfactanten (Eng. surfactants, van surface active agents) of tensiden genoemd, zijn chemische verbindingen die de oppervlaktespanning van vloeistoffen en de grensvlakspanning, bijvoorbeeld tussen water en olie, verlagen. Zuiver water heeft een oppervlaktespanning van ca. 72 mN/m; door toevoeging van een tenside kan die dalen tot ca. 25–35 mN/m.

Dit effect komt voort uit de bouw van het molecuul, die amfifiel wordt genoemd. Elk tensidemolecuul heeft:

• een hydrofiel deel (de „kop”) – polair en goed in wisselwerking met water; het kan negatief, positief, beide of niet geladen zijn,
• een hydrofoob deel (de „staart”) – apolair, meestal een koolwaterstofketen met 8–18 koolstofatomen die water „ontvlucht” en zich aan vetten bindt.

Tensiden komen ook in de natuur voor. Een voorbeeld is longsurfactant: een mengsel van fosfolipiden en eiwitten dat de longblaasjes bekleedt en voorkomt dat ze bij het uitademen samenvallen. Ook lecithine, saponinen en galzuren zijn natuurlijke oppervlakteactieve verbindingen.

Hoe werken oppervlakteactieve stoffen?

In een waterige oplossing verzamelen tensidemoleculen zich eerst aan het wateroppervlak en aan grensvlakken – met de „koppen” naar het water en de „staarten” naar buiten of naar de olie gericht. Is het oppervlak verzadigd en overschrijdt de concentratie de zogeheten kritische micelconcentratie (CMC), dan gaan de moleculen micellen vormen: bolvormige clusters met een hydrofobe kern. In die micellen worden vet en vuil ingesloten, die daarna met water kunnen worden weggespoeld.

Uit dit mechanisme volgen de belangrijkste functies van tensiden:

• reinigen en wassen – het losmaken en verwijderen van vettig vuil,
• bevochtigen – een vloeistof verspreidt zich gemakkelijker over een oppervlak en dringt in poriën door,
• emulgeren – het vormen en stabiliseren van olie-in-water- (O/W) of water-in-olie-emulsies (W/O),
• schuimen of ontschuimen – het stabiliseren of juist afbreken van schuim,
• solubiliseren – het oplossen van etherische oliën, aroma’s of vitamines in water,
• dispergeren – het in suspensie houden van vaste deeltjes, zoals pigmenten,
• conditioneren en antistatische werking – vooral kationische tensiden.

Hoe worden oppervlakteactieve stoffen ingedeeld?

De meest gebruikte indeling is gebaseerd op de chemische structuur, meer bepaald op de lading van het hydrofiele deel. Tensiden worden verdeeld in ionische en niet-ionische, en de ionische weer in drie soorten: anionisch, kationisch en amfoteer. Samen geeft dat vier basisgroepen:

Tensiden kunnen ook worden ingedeeld naar herkomst (petrochemisch, oleochemisch uit plantaardige oliën, biosurfactanten geproduceerd door micro-organismen), biologische afbreekbaarheid, aantal hydrofiele groepen (bijv. dimere tensiden, de zogeheten gemini-tensiden) of toepassing.

Wat zijn anionische oppervlakteactieve stoffen?

Anionische oppervlakteactieve stoffen hebben in het hydrofiele deel een negatief geladen groep – meestal een sulfaat-, sulfonaat- of carboxylaatgroep. Dit is de meest gebruikte groep tensiden, omdat ze goedkoop zijn, zeer goed reinigen en overvloedig schuimen. De belangrijkste voorbeelden:

• SLS (Sodium Lauryl Sulfate, natriumlaurylsulfaat) – een sterk reinigings- en schuimmiddel,
• SLES (Sodium Laureth Sulfate, natriumlaurethsulfaat) – een mildere, geëthoxyleerde variant van SLS en de basis van veel shampoos en gels,
• LAS (lineaire natriumalkylbenzeensulfonaten) – het hoofdbestanddeel van waspoeders en vloeibare wasmiddelen,
• zepen – natrium- en kaliumzouten van vetzuren,
• mildere anionische cosmetische tensiden: Sodium Cocoyl Isethionate, Sodium Lauroyl Sarcosinate, Disodium Laureth Sulfosuccinate.

Anionische tensiden zijn gevoelig voor hard water: met calcium- en magnesiumionen vormen ze slecht oplosbare zouten, waardoor hun werking afneemt. Ze kunnen de huid ook uitdrogen en irriteren; daarom worden ze in cosmetica gecombineerd met mildere amfotere of niet-ionische tensiden.

Voor de sulfonering van LAS en de sulfatering van vetalcoholen worden onder meer zwaveltrioxide en oleum gebruikt, die we beschrijven in het artikel Zwavelzuur begrijpen: productie, toepassingen en veiligheidsmaatregelen.

Wat zijn kationische oppervlakteactieve stoffen?

Kationische oppervlakteactieve stoffen hebben in het hydrofiele deel een positieve lading – meestal gaat het om quaternaire ammoniumzouten (zogeheten quats). Voorbeelden zijn benzalkoniumchloride, cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB), Cetrimonium Chloride, Behentrimonium Chloride en de esterquats die in wasverzachters worden gebruikt.

De meeste oppervlakken – haar, huid, textielvezels – zijn in water negatief geladen, waardoor kationische tensiden zich er goed op afzetten. Ze verminderen statische elektriciteit in haar en textiel, maken het glad en vergemakkelijken het ontwarren. Veel ervan werken bovendien bacteriedodend en zijn daarom bestanddeel van desinfectie- en conserveermiddelen. Ze reinigen en schuimen slecht en vormen met anionische tensiden onoplosbare complexen, zodat ze meestal niet in één product worden gecombineerd.

Oudere kationische tensiden waren slecht biologisch afbreekbaar en giftig voor waterorganismen. Daarom zijn ze in wasverzachters vervangen door esterquats, die gemakkelijker worden afgebroken.

Wat zijn amfotere oppervlakteactieve stoffen?

Amfotere (zwitterionische) oppervlakteactieve stoffen hebben in hun molecuul tegelijk een positief en een negatief geladen groep. Hun karakter hangt af van de pH: in een zuur milieu gedragen ze zich als kationische tensiden, in een basisch milieu als anionische.

Het belangrijkste voorbeeld is cocamidopropyl betaine (CAPB) – een amfoteer tenside dat wordt verkregen uit de vetzuren van kokosolie. Tot deze groep behoren ook Coco-Betaine, Cocamidopropyl Hydroxysultaine, Sodium Cocoamphoacetate en Sodium Lauroamphoacetate. Ook natuurlijke lecithine is amfoteer.

Amfotere tensiden zijn mild voor huid en ogen, schuimen goed en verdikken oplossingen van anionische tensiden. Toegevoegd aan SLES verminderen ze de irriterende werking ervan; daarom is de combinatie SLES + cocamidopropyl betaine de basis van de meeste shampoos en douchegels. Ze worden ook gebruikt in babycosmetica, producten voor intieme hygiëne en milde reinigingsmiddelen.

Wat zijn niet-ionische oppervlakteactieve stoffen?

Niet-ionische oppervlakteactieve stoffen hebben geen elektrische lading. Hun hydrofiele deel bestaat meestal uit polyoxyethyleenketens (PEG), glycerol- of suikerresten. Voorbeelden:

• geëthoxyleerde vetalcoholen – bijv. Laureth-7, Ceteareth-20, bestanddelen van detergenten en emulsies,
• polysorbaten – bijv. polysorbaat 20 en polysorbaat 80, emulgatoren en solubilisatoren in cosmetica, geneesmiddelen en levensmiddelen (E432–E436),
• alkylpolyglucosiden (APG) – Decyl Glucoside, Coco-Glucoside, Lauryl Glucoside, milde tensiden uit suiker en vetalcoholen,
• PEG-6 Caprylic/Capric Glycerides – een niet-ionisch tenside dat wordt gebruikt als solubilisator en als bestanddeel van micellair water en reinigingsoliën,
• esters van glycerol en suikers – mono- en diglyceriden van vetzuren (E471) en sucrose-esters (E473), emulgatoren voor levensmiddelen,
• sorbitanesters – bijv. Sorbitan Oleate (Span 80), emulgatoren voor W/O-emulsies.

Niet-ionische tensiden reageren niet met de ionen in hard water, zijn compatibel met andere groepen tensiden en meestal mild voor de huid. Ze schuimen doorgaans minder, maar emulgeren en bevochtigen goed. Bij hogere temperatuur worden oplossingen van ethoxylaten troebel (het zogeheten troebelingspunt), waarmee bij het formuleren rekening moet worden gehouden.

Wat is de HLB-schaal en hoe helpt die bij de keuze van een tenside?

HLB (hydrophilic-lipophilic balance) is een getal dat het evenwicht beschrijft tussen het hydrofiele en het lipofiele deel van een molecuul. Volgens de schaal van Griffin voor niet-ionische tensiden loopt de waarde van 0 tot 20: hoe hoger de HLB, hoe hydrofieler en beter in water oplosbaar de verbinding is.

Bij de keuze van een tenside tellen ook de CMC (hoe lager, hoe minder tenside nodig is om micellen te vormen), het Krafft-punt (de temperatuur waaronder een ionisch tenside slecht oplost), het pH-stabiliteitsbereik en de compatibiliteit met andere ingrediënten mee. In emulsies worden vaak twee emulgatoren gecombineerd – een met een lage en een met een hoge HLB – om de vereiste waarde voor de betreffende oliefase te bereiken.

Waarvan worden oppervlakteactieve stoffen gemaakt?

Tensiden worden gemaakt uit drie hoofdgroepen grondstoffen:

• petrochemische – uit ethyleen, benzeen en paraffinen ontstaan onder meer LAS en synthetische alcoholen voor ethoxylaten,
• oleochemische – uit plantaardige oliën (kokos-, palm-, palmpit- en koolzaadolie) worden vetzuren en vetalcoholen gewonnen, en daaruit SLS, SLES, betaïnes, glucosiden en esters; vaak in combinatie met grondstoffen uit suiker, zoals glucose in alkylpolyglucosiden,
• biotechnologische – biosurfactanten, zoals rhamnolipiden, soforolipiden en surfactine, worden geproduceerd door bacteriën en gisten; ze zijn goed biologisch afbreekbaar, maar nog altijd duurder dan klassieke tensiden.

Door de stijgende milieueisen kiezen fabrikanten steeds vaker voor tensiden van plantaardige oorsprong die gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn en over ecologische certificaten beschikken.

Waar worden oppervlakteactieve stoffen gebruikt?

Tensiden behoren tot de belangrijkste grondstoffen van de chemische industrie. De belangrijkste toepassingsgebieden:

• cosmetica – shampoos, gels, zepen, micellair water (reinigende tensiden), crèmes en lotions (emulgatoren), conditioners (kationische tensiden),
• huishoudchemie – waspoeders en vloeibare wasmiddelen, afwasmiddelen, reinigingsmiddelen, wasverzachters,
• levensmiddelenindustrie – emulgatoren zoals lecithine (E322), mono- en diglyceriden (E471), sucrose-esters (E473) en polysorbaten,
• farmacie en geneeskunde – emulgatoren en solubilisatoren in geneesmiddelen, longsurfactantpreparaten voor te vroeg geboren baby’s, desinfectiemiddelen,
• landbouw – adjuvantia die de bevochtiging van bladeren en de werking van gewasbeschermingsmiddelen verbeteren,
• bouw – luchtbelvormende hulpstoffen en schuimmiddelen voor beton, onder meer voor de productie van schuimbeton en licht cellenbeton,
• textielindustrie, verven en lakken – bevochtigings-, dispergeer- en kleurhulpmiddelen,
• olie- en metaalindustrie – demulgatoren bij het ontzouten van ruwe olie, middelen voor verbeterde oliewinning, ontvetten van metalen, koelvloeistoffen.

Maken oppervlakteactieve stoffen hard water zachter?

Nee. Tensiden verwijderen de calcium- en magnesiumionen die verantwoordelijk zijn voor de hardheid niet uit het water. Integendeel: hard water verzwakt de werking van anionische tensiden, omdat die met deze ionen onoplosbare zouten vormen. Dat is goed te zien bij zeep, die in hard water slecht schuimt en een neerslag achterlaat (de zogeheten kalkzeep).

Daarom worden aan waspoeders, vloeibare wasmiddelen en vaatwastabletten waterontharders toegevoegd, de zogeheten builders: zeolieten, citraten, polycarboxylaten (bijv. acryl-maleïnecopolymeren) en fosfonaten. In de EU is het fosfaatgehalte in was- en vaatwasmiddelen voor huishoudelijk gebruik wettelijk beperkt. Niet-ionische tensiden zijn ongevoelig voor hard water en worden daarom vaak met anionische gecombineerd.

Zijn oppervlakteactieve stoffen schadelijk?

Of tensiden schadelijk zijn, hangt af van het type, de concentratie en de manier van gebruik. Voor de mens is vooral de werking op huid en ogen van belang:

• anionisch – ontvetten het sterkst en kunnen de huid irriteren, vooral SLS bij frequent contact; SLES is milder,
• kationisch – kunnen bij hogere concentraties ogen en huid irriteren en worden daarom in cosmetica laag gedoseerd,
• amfoteer en niet-ionisch – zijn het mildst en verminderen de irriterende werking van anionische tensiden; allergische reacties op cocamidopropyl betaine komen zelden voor en worden vooral in verband gebracht met verontreinigingen uit het productieproces.

Tensiden in cosmetica zijn toegelaten in veilige concentraties, en bij afspoelbare producten is het contact met de huid kort. Geëthoxyleerde tensiden (bijv. SLES, polysorbaten) kunnen sporen van 1,4-dioxaan bevatten; daarom controleren grondstoffenproducenten het gehalte daarvan.

Voor het milieu is de biologische afbreekbaarheid doorslaggevend. Tensiden die niet zijn afgebroken, zijn giftig voor waterorganismen en veroorzaken schuimvorming in oppervlaktewater. In de jaren 50 en 60 van de 20e eeuw vormden vertakte alkylbenzeensulfonaten een probleem; ze zijn vervangen door biologisch afbreekbaar LAS. Tegenwoordig moeten tensiden in detergenten in de EU volledig aeroob biologisch afbreekbaar zijn, en het gebruik van nonylfenolethoxylaten (NPE), die als hormoonverstoorders werken, is sterk beperkt. In moderne rioolwaterzuiveringsinstallaties wordt het merendeel van de tensiden biologisch afgebroken, en in industriële installaties worden overmaat en schuimvorming met antischuimmiddelen beperkt.

Hoe kiest u een oppervlakteactieve stof voor de productie?

Bij de keuze van een tenside voor een cosmetisch product, een detergent of een levensmiddel is het verstandig rekening te houden met:

• de functie – reinigen, emulgeren, solubiliseren, bevochtigen, schuimen of conditioneren,
• de compatibiliteit van ladingen – anionische en kationische tensiden worden meestal niet gecombineerd,
• HLB, CMC en pH-bereik – afgestemd op de oliefase en de receptuur,
• de mildheid – in cosmetica wordt het hoofdtenside vaak gecombineerd met een amfoteer of niet-ionisch tenside,
• de herkomst en biologische afbreekbaarheid – plantaardige grondstoffen, ecologische certificaten, naleving van de eisen voor detergenten,
• de toelatingen – status als levensmiddelenadditief (E-nummer) of naleving van de cosmetische en farmaceutische regelgeving.

Foodcom levert grondstoffen voor de cosmetische, chemische en levensmiddelenindustrie, waaronder polysorbaat 20 en lecithine, met volledige kwaliteitsdocumentatie. Voor specificaties en beschikbaarheid kunt u contact opnemen met ons verkoopteam.