- Środki powierzchniowo czynne wykorzystywane są w wielu różnych gałęziach przemysłu: kosmetycznym, spożywczym, metalurgicznym, farmaceutycznym, w produkcji farb i lakierów i wielu innych zastosowaniach.
- Dzielą się one na cztery główne grupy: związki powierzchniowo czynne niejonowe, anionowe, kationowe oraz amfoteryczne. Każda z nich cechuje się innymi właściwościami.
- Główne zastosowania środków powierzchniowo czynnych to: środki emulgujące, dyspergujące, solubilizatory, detergenty, środki zmiękczające, myjące, piorące oraz bakteriobójcze.
Związki powierzchniowo czynne (ZPC lub SPC) powszechnie występują w naszym otoczeniu – przede wszystkim wchodzą w skład środków czyszczących i kosmetyków. Czym charakteryzuje się ta grupa związków chemicznych? Jaka jest ich klasyfikacja i do czego możemy zastosować poszczególne typy środków powierzchniowo czynnych?
Czym są środki powierzchniowo czynne?
Środki powierzchniowo czynne, inaczej określane jako surfaktanty lub SAA (ang. Surface Active Agents) to substancje chemiczne, których główną cechą jest obniżanie napięcia powierzchniowego lub też międzyfazowego na styku różnych substancji. To działanie jest spowodowane specyficzną budową cząsteczek związków powierzchniowo czynnych – wyróżniamy w nich część polarną (hydrofilowa, rozpuszczalna w wodzie „głowa”) i niepolarną (hydrofobowy, nierozpuszczalny w wodzie „ogon”). Część polarną stanowi zwykle reszta kwasowa, natomiast niepolarną – sól organiczna.
W kontekście środków powierzchniowo czynnych i ich zastosowania istotne są poniższe ich właściwości:
- wysoka rozpuszczalność w wielu substancjach czy mieszaninach substancji,
- zdolność do tworzenia emulsji oraz miceli,
- silne właściwości adsorbujące,
- toksyczność wobec mikroorganizmów,
- podatność na chemo- lub biodegradację, co zmniejsza ich szkodliwość dla środowiska.
Jaką rolę pełnią środki powierzchniowo czynne?
Środki powierzchniowo czynne ze względu na swoje specyficzne właściwości pełnią różnorodne funkcje. Mogą być używane jako środki pieniące, piorące, emulgatory, solubilizatory, a także środki zwilżające i dyspergujące. Mają również właściwości adsorpcyjne, przeciwzbrylające, antystatyczne i zmiękczające.
W kontekście zastosowania środków powierzchniowo czynnych ważne jest pojęcie wskaźnika HLB (ang. Hydrophile-Lipophile Balance) mówiącego o równowadze hydrofilowo-hydrofobowej. Im wyższa wartość HLB, tym związek jest bardziej hydrofilowy i lepiej rozpuszczalny w wodzie, a im niższa – tym bardziej hydrofobowy i lepiej rozpuszczalny w olejach. Związki o wysokim HLB stosuje się zazwyczaj jako solubilizatory oraz środki piorące, natomiast o niższej wartości wskaźnika – jako środki zwilżające, powlekające i antypieniące.
Środki powierzchniowo czynne służą także do uzyskiwania koloidów, pian oraz emulsji. Emulsja to układ złożony z dwóch cieczy, które nie mieszają się ze sobą. Taka pozornie jednorodna mieszanina składa się z kropli jednej substancji zawieszonych w drugiej. W zależności od medium i rodzaju pożądanej emulsji, jako emulgatory mogą być używane surfaktanty o różnych wartościach HLB. Wiele rodzajów surfaktantów o różnych zastosowaniach oferuje Foodcom S.A.
Środki powierzchniowo czynne występują także w naturze. W płucach związki te, złożone z lipoprotein, zmniejszają napięcie panujące w pęcherzykach płucnych, co umożliwia ich prawidłową pracę.
Klasyfikacja środków powierzchniowo czynnych
Środki powierzchniowo czynne dzieli się zazwyczaj ze względu na ich budowę chemiczną. Można także wyróżnić związki pochodzące ze źródeł odnawialnych lub nieodnawialnych, związki łatwo degradowalne lub trudno-/niedegradowalne, a także podzielić je ze względu na możliwe zastosowania. Czasami wprowadzany jest podział również ze względu na budowę i ilość części hydrofilowych oraz strukturę łączących je łańcuchów.
Poniżej przedstawiamy najczęściej stosowaną klasyfikację – ze względu na budowę chemiczną. Środki powierzchniowo czynne dzielimy na jonowe i niejonowe, z czego jonowe dzielą się dalej na: anionowe, kationowe i amfoteryczne. Klasyfikacja ta tworzy cztery podstawowe grupy środków powierzchniowo czynnych opisane poniżej.
Anionowe środki powierzchniowo czynne
Anionowe środki powierzchniowo czynne posiadają część hydrofilową anionową, czyli o ładunku ujemnych. Z racji na ich dobrą biodegradowalność są najczęściej używanymi surfaktantami.
Wyróżnia się tutaj sześć podgrup, w tym związki z dwoma lub trzema grupami hydrofilowymi w cząsteczce. W zależności od podgrupy anionowe środki powierzchniowo czynne mogą mieć właściwości: zwilżające, pianotwórcze, piorące, dyspergujące.
Przykłady anionowych surfaktantów to: sól sodowa siarczanu 2-etyloheksanolu, sól sodowa siarczanowanego alkoholu decylowego, sól sodowa kwasu alkilobenzenosulfonowego, laurylosiarczan sodu. W składzie kosmetyków widnieją pod takimi skrótami, jak np. SLS czy SLES.
Substancje te mogą być stosowane jako składnik mydeł, proszków do prania i innych środków czyszczących, myjących oraz piorących. Mogą wykazywać właściwości podrażniające, dlatego często łączone są z innymi surfaktantami, które łagodzą ich działanie.
Kationowe środki powierzchniowo czynne
Kationowe środki powierzchniowo czynne posiadają kationową część hydrofilową, czyli ładunek dodatni. Są rzadziej używane ze względu na gorszą biodegradowalność i tym samym większą szkodliwość dla środowiska.
Najczęściej spotyka się surfaktanty kationowe oparte o czwartorzędowe sole amoniowe. Inne przykłady to chlorki benzalkoniowe i bromek cetylotrójmetyloamoniowy.
Kationowe surfaktanty mają słabe właściwości pieniące i myjące, mogą być natomiast stosowane jako zagęstniki, emulgatory, dyspergatory, a także związki biobójcze i antystatyczne. Często spotyka się je w składzie produktów do włosów, np. odżywek i szamponów, w celu wspomagania ich elektryzowaniu się. Mogą mieć też działanie wygładzające, kondycjonujące oraz odkażające i bakteriobójcze.
Amfoteryczne środki powierzchniowo czynne
Amfoteryczne środki powierzchniowo czynne posiadają grupę hydrofilową o ładunku zarówno dodatnim, jak i ujemnym. Postać, jaką przybiera związek, zależy od pH roztworu, w jakim się znajduje.
Przykładem amfoterycznych środków powierzchniowo czynnych są pochodne betainy (substancji o wielu zastosowaniach, m.in. zwiększającej produkcję kwasu solnego w żołądku): alkilobetainy, siarczanobetainy i alkiloamidobetainy, które posiadają właściwości dezodorujące i bakteriobójcze.
Spośród wymienionych grup, amfoteryczne środki powierzchniowo czynne cechują się najmniejszą szkodliwością, obniżają także działanie drażniące innych środków powierzchniowo czynnych. Dobrze się pienią oraz mają świetne właściwości zagęszczające i wysoką rozpuszczalność w wodzie. Są składnikiem szamponów dziecięcych, preparatów do higieny intymnej oraz produktów do car detailingu.
Niejonowe środki powierzchniowo czynne
Niejonowe środki powierzchniowo czynne posiadają niejonową część hydrofilową. Cechują się dobrą biodegradowalnością. Mogą mieć różne właściwości, z tego względu stosowane są w szerokim spektrum gałęzi przemysłu – w przemyśle chemicznym, włókienniczym, metalurgicznym i kosmetologicznym.
Zwykle mają dobre właściwości emulgujące i zwilżające, służą także jako dobre detergenty. W kosmetologii służą do produkcji szamponów i środków myjących, często występują wraz z anionowymi środkami powierzchniowo czynnymi w celu obniżenia ich działania drażniącego.
Przykładem takiego związku jest Polysorbate 20, który jest wykorzystywany jako emulgator w przemyśle kosmetycznym oraz farmaceutycznym. Jego zadaniem jest poprawa tekstury i stabilności kosmetyków, takich jak kremy, dezodoranty, oliwki dla niemowląt oraz produkty do pielęgnacji włosów.
Produkcja środków powierzchniowo czynnych
Dawniej środki powierzchniowo czynne produkowane były jedynie z surowców petrochemicznych. Zwiększona dbałość o środowisko i globalne inicjatywy mające na celu ograniczenie emisji CO2 sprawiły, że obecnie pozyskuje się je głównie z węglowodorów i kwasów tłuszczowych pochodzenia roślinnego. Możliwa jest także produkcja biosurfaktantów, czyli związków powierzchniowo czynnych wytwarzanych przy udziale mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych.
Przykładem zastosowania surfaktantów pochodzenia roślinnego są płyny do mycia naczyń i dodatki do herbicydów na bazie oleju rzepakowego.
Zastosowanie surfaktantów
Środki powierzchniowo czynne odnalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a także w gospodarstwach domowych. Poniżej omawiamy najpopularniejsze sposoby na użycie surfaktantów.
Przemysł kosmetyczny
W przemyśle kosmetycznym duże znaczenie mają właściwości pianotwórcze, dyspergujące i emulgujące środków powierzchniowo czynnych. Stosowane są w szamponach i środkach myjących, pozwalając na skuteczne usuwanie różnych zanieczyszczeń z powierzchni ciała lub włosów. Stosuje się je także jako emulgatory w kosmetykach. Ze względu na swoje właściwości biostatyczne i biobójcze, stosowane są również jako zabezpieczenie preparatów kosmetycznych przed działaniem mikroorganizmów.
Polecany artykuł do czytania: Rodzaje Składników w Kosmetykach i Ich Funkcje
Chemia gospodarcza
W przemyśle chemii gospodarczej środki powierzchniowo czynne pełnią rolę detergentów. Używane są jako środki myjące, piorące i czyszczące, a także zagęszczające i zmiękczające. Chronią także przed drobnoustrojami.
Przemysł metalurgiczny i naftowy
Środki powierzchniowo czynne są stosowane także w przemyśle naftowym – przy eksploatacji złóż naftowych oraz odsalaniu ropy naftowej, jako środek deemulgujący. Stanowią również dodatki do produktów naftowych. W metalurgii używa się ich natomiast do oczyszczania powierzchni metalowych.
Inne zastosowania
Poza wymienionymi, środki powierzchniowo czynne posiadają szereg innych zastosowań w przemyśle. We włókiennictwie stosowane są jako środki zwilżające, piorące, emulgujące i dyspergujące, a także pomocnicze przy zmiękczaniu i farbowaniu tkanin. W przemyśle spożywczym używa się ich jako emulgatorów, środków stabilizujących i pianotwórczych. W mikroelektronice stosowane są do produkcji materiałów półprzewodnikowych i cząsteczek magnetycznych, a w przemyśle motoryzacyjnym – do wytwarzania szamponów samochodowych i preparatów przeciwko parowaniu szyb. Stosuje się je także w produkcji farb, lakierów, środków ochrony drewna przed drobnoustrojami oraz jako składniki pestycydów.
Czy środki powierzchniowo czynne zmiękczają twardą wodę?
Środki powierzchniowo czynne mają działanie zmiękczające. Zmiękczają twardą wodę poprzez adsorpcję cząsteczek w niej zawartych, dzięki czemu myta powierzchnia jest bardziej zwilżona, a cząsteczki zabrudzeń łatwiej rozpuszczają się w wodzie. Twarda woda powoduje jednak, że zużycie środków powierzchniowo czynnych stosowanych jako detergenty jest większe – ich ilość potrzebna do tego, by uzyskać odpowiednie pienienie i efekt myjący lub piorący jest większa niż w przypadku zastosowania miękkiej wody. Z tego względu producenci proszków do prania, środków myjących i detergentów stosują często dodatki w postaci substancji zmiękczających wodę, takich jak roztwór soli sodowych kopolimery akrylowo-maleinowego czy zeolity.
Szkodliwość środków powierzchniowo czynnych
Ze względu na właściwości środków powierzchniowo czynnych i ich wysoką rozpuszczalność w różnych mediach, związki, które nie uległy całkowitej degradacji, mogą swobodnie krążyć w przyrodzie. Są one wykrywane zarówno w ściekach, jak i oczyszczonej wodzie, wodach gruntowych i powierzchniowych oraz w glebach, skąd trafiają do roślin i organizmów żywych. Związki powierzchniowo czynne łatwo ulegają akumulacji w organizmach, co może prowadzić do groźnego zjawiska biokoncentracji.
Związki powierzchniowo czynne mogą działać także drażniąco na skórę człowieka. Szczególnie dotyczy to tych preparatów, które zawierają znaczne ilości surfaktantów, jak środki chemii gospodarczej. Narażenie na kontakt z takimi związkami może skutkować występowaniem podrażnień i reakcji alergicznych. Związki powierzchniowo czynne zawarte w kosmetykach i środkach do mycia ciała należą do grupy surfaktantów łagodnych dla skóry.
Środki powierzchniowo czynne znajdują zastosowanie w wielu różnych gałęziach przemysłu. Przy wyborze odpowiedniego związku należy wziąć pod uwagę jego właściwości, pH produktu, wskaźnik HLB oraz CMC, który mówi o zdolności surfaktantu do tworzenia miceli. Ważne jest również, by rozważyć skutki uboczne działania danego związku, jego działanie drażniące oraz możliwe dodatki łagodzące te negatywne efekty. W dzisiejszych czasach kluczową rolę odgrywa również dbałość o środowisko, dlatego do produkcji dobrze jest wybierać związki pochodzenia roślinnego lub mikrobiologicznego oraz łatwo poddające się biodegradacji.
