Классификация поверхностно-активных веществ и их применение

Поверхностно-активные вещества (ЗПК или ППК) часто встречаются в окружающей среде — в основном они входят в состав чистящих средств и косметики. Каковы особенности этой группы химических соединений? Какова их классификация и для чего можно использовать различные типы ПАВ?

Что такое поверхностно-активные вещества?

ПАВ, иначе называемые сурфактантами или SAA (Surface Active Agents), — это химические вещества, основным свойством которых является снижение поверхностного или межфазного натяжения на границе раздела различных веществ. Это действие обусловлено специфической структурой молекул ПАВ — они имеют полярную часть (гидрофильную, водорастворимую «головку») и неполярную часть (гидрофобный, нерастворимый в воде «хвост»). Полярная часть обычно представляет собой кислотный остаток, а неполярная — органическую соль.

В контексте поверхностно-активных веществ и их применения важны следующие свойства:

• высокая растворимость во многих веществах или смесях веществ,
• способность образовывать эмульсии и мицеллы,
• сильные адсорбирующие свойства,
• токсичность для микроорганизмов,
• подверженность химическому или биоразложению, что снижает их вредность для
• окружающей среды.

Какую роль играют поверхностно-активные вещества?

Благодаря своим специфическим свойствам ПАВ выполняют множество функций. Они могут использоваться в качестве пенообразователей, моющих средств, эмульгаторов, солюбилизаторов, а также смачивающих и диспергирующих агентов. Они также обладают адсорбирующими, антинакипными, антистатическими и смягчающими свойствами.

В контексте использования ПАВ важным является понятие индекса гидрофильно-липофильного баланса (HLB), который говорит о гидрофильно-гидрофобном балансе. Чем выше значение HLB, тем более гидрофильным и лучше растворимым в воде является соединение, а чем ниже значение HLB, тем более гидрофобным и лучше растворимым в масле оно является. Соединения с высоким значением HLB обычно используются в качестве солюбилизаторов и моющих средств, а соединения с более низким значением HLB — в качестве смачивающих, покрывающих и противопенных агентов.

Поверхностно-активные вещества также используются для получения коллоидов, пен и эмульсий. Эмульсия — это система, состоящая из двух жидкостей, которые не смешиваются. Такая внешне однородная смесь состоит из капель одного вещества, взвешенных в другом. В зависимости от среды и желаемого типа эмульсии в качестве эмульгаторов могут использоваться поверхностно-активные вещества с различными значениями HLB. В магазине Foodcom представлено множество типов ПАВ с различными областями применения.

Поверхностно-активные вещества также встречаются в природе. В легких эти соединения, состоящие из липопротеинов, снижают напряжение в альвеолах, позволяя им нормально работать.

Классификация поверхностно-активных веществ

ПАВ обычно делят в зависимости от их химической структуры. Кроме того, различают соединения, полученные из возобновляемых или невозобновляемых источников, легко разлагаемые или трудно/неразлагаемые соединения, а также их можно разделить в зависимости от возможного применения. Иногда классификация также проводится в зависимости от структуры и количества гидрофильных частей и структуры цепей, связывающих их.

Ниже приведена наиболее часто используемая классификация — по химической структуре. ПАВ делятся на ионные и неионные, из которых ионные далее подразделяются на: анионные, катионные и амфотерные. Эта классификация создает четыре основные группы ПАВ, описанные ниже.

Анионные поверхностно-активные вещества

Анионные ПАВ имеют анионную гидрофильную часть, то есть отрицательный заряд. Благодаря хорошей биоразлагаемости они являются наиболее часто используемыми ПАВ.

Существует шесть подгрупп, включая соединения с двумя или тремя гидрофильными группами в молекуле. В зависимости от подгруппы анионные ПАВ могут обладать следующими свойствами: смачивание, вспенивание, омыление, диспергирование.

Примерами анионных ПАВ являются: натриевая соль 2-этилгексанолсульфата, натриевая соль сульфатированного децилового спирта, натриевая соль алкилбензолсульфокислоты, лаурилсульфат натрия. В составе косметических средств они встречаются под такими аббревиатурами, как SLS или SLES.

Эти вещества могут использоваться в качестве ингредиентов в мыле, стиральных порошках и других чистящих, моющих и стиральных средствах. Они могут проявлять раздражающие свойства, поэтому их часто сочетают с другими поверхностно-активными веществами, чтобы смягчить их действие.

Катионные поверхностно-активные вещества

Катионные ПАВ имеют катионную гидрофильную часть, то есть положительный заряд. Они используются реже из-за их худшей биоразлагаемости и, соответственно, большего вреда для окружающей среды.
Наиболее распространенными являются катионные ПАВ на основе четвертичных аммониевых солей. Другие примеры — хлориды бензалкония и бромид цетилтриметиламмония.

Катионные ПАВ обладают плохими пенообразующими и моющими свойствами, но могут использоваться в качестве загустителей, эмульгаторов, диспергаторов, а также биоцидных и антистатических соединений. Их часто можно встретить в составе средств для волос, например, кондиционеров и шампуней, для устранения статического электричества. Они также могут оказывать разглаживающее, кондиционирующее, дезинфицирующее и бактерицидное действие.

Амфотерные поверхностно-активные вещества

Амфотерные ПАВ имеют гидрофильную группу с положительным и отрицательным зарядом. Форма, которую принимает соединение, зависит от pH раствора, в котором оно находится.

Примерами амфотерных ПАВ являются производные бетаина (вещество, имеющее множество применений, включая повышение выработки соляной кислоты в желудке): алкилбетаины, сульфанбетаины и алкиламидобетаины, которые обладают дезодорирующими и бактерицидными свойствами.

Из всех вышеперечисленных групп амфотерные ПАВ наименее вредны, а также снижают раздражающее действие других ПАВ. Они хорошо пенятся, обладают отличными загущающими свойствами и высокой растворимостью в воде. Они входят в состав детских шампуней, препаратов для интимной гигиены и средств для ухода за автомобилем.

Неионогенные поверхностно-активные вещества

Неионогенные ПАВ имеют неионогенную гидрофильную часть. Они характеризуются хорошей биоразлагаемостью. Они могут обладать различными свойствами и поэтому используются в самых разных отраслях промышленности — химической, текстильной, металлургической и косметической.

Обычно они обладают хорошими эмульгирующими и смачивающими свойствами, а также служат хорошими моющими средствами. В косметологии они используются при производстве шампуней и очищающих средств, причем часто встречаются вместе с анионными ПАВ для снижения их раздражающего действия.

Примером такого соединения является полисорбат 20, который используется в качестве эмульгатора в косметической и фармацевтической промышленности. Его назначение — улучшение текстуры и стабильности косметических средств, таких как кремы, дезодоранты, детские масла и средства по уходу за волосами.

Производство ПАВ

Исторически сложилось так, что поверхностно-активные вещества производились только из нефтехимического сырья. Возросшая озабоченность состоянием окружающей среды и глобальные инициативы по сокращению выбросов CO2 привели к тому, что теперь они производятся в основном из углеводородов и жирных кислот растительного происхождения. Также возможно производство биосурфактантов, то есть поверхностно-активных веществ, получаемых с помощью микроорганизмов в ходе биотехнологических процессов.

Примерами использования ПАВ растительного происхождения являются жидкости для мытья посуды и гербицидные добавки на основе рапсового масла.

Области применения ПАВ

ПАВ нашли свое применение во многих промышленных и бытовых сферах. Ниже рассмотрены наиболее распространенные области применения ПАВ.

Косметическая промышленность

Пенообразующие, диспергирующие и эмульгирующие свойства ПАВ имеют большое значение в косметической промышленности. Они используются в шампунях и очищающих средствах, позволяющих эффективно удалять различные загрязнения с поверхности тела или волос. Также они используются в качестве эмульгаторов в косметике. Благодаря своим биостатическим и биоцидным свойствам они также используются для защиты косметических препаратов от микроорганизмов. Поверхностно-активные вещества для косметики можно приобрести в магазине Foodcom.

Бытовая химия

В бытовой химии поверхностно-активные вещества выполняют роль моющих средств. Они используются в качестве моющих, стиральных и чистящих средств, а также загустителей и смягчителей. Они также защищают от микроорганизмов.

Металлургическая и нефтяная промышленность

Поверхностно-активные вещества также используются в нефтяной промышленности — в нефтепромысловых операциях и при опреснении нефти, в качестве деэмульгатора. Они также являются добавками к нефтепродуктам. В металлургии, напротив, они используются для очистки металлических поверхностей.

Другие применения

Помимо этого, поверхностно-активные вещества имеют ряд других промышленных применений. В текстильной промышленности они используются в качестве смачивающих, моющих, эмульгирующих и диспергирующих агентов, а также в качестве вспомогательных средств для смягчения и окрашивания тканей. В пищевой промышленности они используются в качестве эмульгаторов, стабилизаторов и пенообразователей. В микроэлектронике они используются для производства полупроводниковых материалов и магнитных частиц, а в автомобильной промышленности — для изготовления автошампуней и составов против испарения. Они также используются в производстве красок, лаков, антимикробных консервантов для древесины и в качестве ингредиентов пестицидов.

Смягчают ли поверхностно-активные вещества жесткую воду?

Поверхностно-активные вещества обладают смягчающим действием. Они смягчают жесткую воду, адсорбируя содержащиеся в ней частицы, делая омываемую поверхность более влажной, а частицы грязи — более легко растворимыми в воде. Однако жесткая вода приводит к повышенному расходу поверхностно-активных веществ, используемых в качестве моющих средств, — количество ПАВ, необходимое для достижения достаточного пенообразования и моющего или стирального эффекта, выше, чем при использовании мягкой воды. Поэтому производители стиральных порошков, моющих средств и стиральных порошков часто используют добавки в виде смягчителей воды, например, раствор натриевой соли акрилат-малеиновых сополимеров или цеолитов.

Вредность поверхностно-активных веществ

Благодаря свойствам ПАВ и их высокой растворимости в различных средах, соединения, которые не успели полностью разложиться, могут свободно циркулировать в природе. Они обнаруживаются как в сточных и очищенных водах, подземных и поверхностных водах, так и в почвах, откуда попадают в растения и живые организмы. ПАВ легко накапливаются в организмах, что может привести к такому опасному явлению, как биоконцентрация.

ПАВ также могут оказывать раздражающее действие на кожу человека. Особенно это касается тех препаратов, которые содержат значительное количество ПАВ, например, бытовой химии. Воздействие таких соединений может привести к раздражению и аллергическим реакциям. ПАВы, содержащиеся в косметике и средствах для очищения тела, относятся к группе поверхностно-активных веществ, мягко воздействующих на кожу.

Поверхностно-активные вещества используются во многих отраслях промышленности. При выборе подходящего состава важно учитывать его свойства, рН продукта, индекс HLB и CMC, который говорит о способности ПАВ образовывать мицеллы. Также важно учитывать побочные эффекты соединения, его раздражающее действие и возможные добавки для смягчения этих негативных эффектов. В наше время также очень важно заботиться об окружающей среде, поэтому для производства следует выбирать соединения растительного или микробного происхождения, легко поддающиеся биологическому разложению.