Surfaktanty (SPC lub SAA – Surface Active Agents) są powszechnie spotykane w naszym otoczeniu, przede wszystkim jako składniki środków czyszczących i kosmetyków. Czym charakteryzuje się ta grupa związków chemicznych? Jaka jest ich klasyfikacja i w jaki sposób możemy stosować poszczególne rodzaje surfaktantów?
Czym są surfaktanty?
Surfaktanty, zwane również środkami powierzchniowo czynnymi, to substancje chemiczne, których główną cechą jest obniżanie napięcia powierzchniowego lub międzyfazowego pomiędzy różnymi substancjami. Działanie to wynika ze specyficznej struktury cząsteczek surfaktantów – mają one polarną (hydrofilową, rozpuszczalną w wodzie „głowę”) i niepolarną (hydrofobową, nierozpuszczalną w wodzie „ogon”) część. Część polarna jest zwykle kwaśną pozostałością, podczas gdy część niepolarna jest solą organiczną.
W kontekście środków powierzchniowo czynnych i ich zastosowań ważne są następujące właściwości:
- Wysoka rozpuszczalność w wielu substancjach lub mieszaninach substancji,
- Zdolność do tworzenia emulsji i miceli,
- Silne właściwości adsorpcyjne,
- Toksyczność wobec mikroorganizmów,
- Podatność na chemo- lub biodegradację, zmniejszająca ich szkodliwość dla środowiska.
Jaką rolę odgrywają środki powierzchniowo czynne?
Ze względu na swoje specyficzne właściwości, środki powierzchniowo czynne pełnią różne funkcje. Mogą być stosowane jako środki pieniące, myjące, emulgujące, rozpuszczające, a także zwilżające i dyspergujące. Mają również właściwości adsorpcyjne, przeciwzbrylające, antystatyczne i zmiękczające.
W kontekście zastosowania środków powierzchniowo czynnych ważna jest koncepcja indeksu HLB (Hydrophile-Lipophile Balance). Odnosi się on do równowagi hydrofilowo-hydrofobowej. Im wyższa wartość HLB, tym bardziej hydrofilowy jest związek i tym lepiej rozpuszcza się w wodzie; im niższa wartość, tym bardziej hydrofobowy i lepiej rozpuszcza się w olejach. Związki o wysokim HLB są zwykle stosowane jako solubilizatory i środki myjące, podczas gdy te o niższym indeksie są stosowane jako środki zwilżające, powlekające i przeciwpieniące.
Środki powierzchniowo czynne są również stosowane do otrzymywania koloidów, pianek i emulsji. Emulsja to układ składający się z dwóch cieczy, które się nie mieszają. Ta pozornie jednorodna mieszanina składa się z kropelek jednej substancji zawieszonych w drugiej. W zależności od medium i pożądanego rodzaju emulsji, środki powierzchniowo czynne o różnych wartościach HLB mogą być stosowane jako emulgatory. Sklep Foodcom oferuje wiele rodzajów środków powierzchniowo czynnych o różnych zastosowaniach.
Surfaktanty występują również naturalnie. W płucach związki te, zbudowane z lipoprotein, zmniejszają napięcie w pęcherzykach płucnych, co pozwala na ich prawidłowe funkcjonowanie
Klasyfikacja surfaktantów
Surfaktanty są zazwyczaj klasyfikowane na podstawie ich struktury chemicznej. Można je również sklasyfikować na podstawie źródła ich pochodzenia, jako odnawialne lub nieodnawialne, jako łatwo degradowalne lub trudno degradowalne/niedegradowalne, a także podzielić według możliwych zastosowań. Czasami są one klasyfikowane na podstawie struktury i liczby części hydrofilowych oraz struktury łańcuchów, które je łączą.
Poniżej przedstawiamy najczęściej stosowaną klasyfikację – opartą na budowie chemicznej. Środki powierzchniowo czynne dzielą się na jonowe i niejonowe, przy czym jonowe środki powierzchniowo czynne 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 mają anionową część hydrofilową, co oznacza, że mają ładunek ujemny. Ze względu na ich dobrą biodegradowalność, są one najczęściej stosowanymi środkami powierzchniowo czynnymi.
W ramach tej kategorii wyróżnia się sześć podgrup, w tym związki z dwiema lub trzema grupami hydrofilowymi w cząsteczce. W zależności od podgrupy, anionowe środki powierzchniowo czynne mogą mieć właściwości zwilżające, pieniące, myjące lub dyspergujące.
Przykłady anionowych środków powierzchniowo czynnych obejmują sól sodową siarczanu 2-etyloheksanolu, sól sodową siarczanowanego alkoholu decylowego, sól sodową kwasu alkilobenzenosulfonowego i laurylosiarczan sodu. W kosmetykach występują one pod skrótami takimi jak SLS lub SLES.
Substancje te mogą być stosowane jako składniki mydeł, proszków do prania i innych środków czyszczących, myjących i piorących. Mogą mieć właściwości drażniące, dlatego często łączy się je z innymi środkami powierzchniowo czynnymi, które łagodzą ich działanie.
Kationowe środki powierzchniowo czynne
Kationowe środki powierzchniowo czynne mają kationową część hydrofilową, co oznacza, że mają ładunek dodatni. Są one rzadziej stosowane ze względu na ich gorszą biodegradowalność i większą szkodliwość dla środowiska.
Najpopularniejsze kationowe środki powierzchniowo czynne oparte są na czwartorzędowych solach amoniowych. Inne przykłady obejmują chlorki benzalkoniowe i bromek cetylotrimetyloamoniowy.
Kationowe środki powierzchniowo czynne mają słabe właściwości pieniące i myjące, ale mogą być stosowane jako zagęszczacze, emulgatory, dyspergatory, a także środki biobójcze i antystatyczne. Często można je znaleźć w produktach do pielęgnacji włosów, takich jak odżywki i szampony, aby pomóc zmniejszyć elektryczność statyczną. Mogą mieć również działanie wygładzające, kondycjonujące, dezynfekujące i bakteriobójcze.
Amfoteryczne środki powierzchniowo czynne
Amfoteryczne środki powierzchniowo czynne posiadają grupę hydrofilową z ładunkami dodatnimi i ujemnymi. Ich forma zależy od pH roztworu, w którym są obecne.
Przykłady amfoterycznych środków powierzchniowo czynnych obejmują pochodne betainy (substancji o wielu zastosowaniach, w tym zwiększającej produkcję kwasu solnego w żołądku): alkilobetainy, sulfobetainy i alkiloamidobetainy, które mają właściwości dezodoryzujące i bakteriobójcze.
Spośród wymienionych grup, amfoteryczne środki powierzchniowo czynne są najmniej szkodliwe i zmniejszają drażniące działanie innych środków powierzchniowo czynnych. Dobrze się pienią i mają doskonałe właściwości zagęszczające oraz wysoką rozpuszczalność w wodzie. Są składnikami szamponów dla dzieci, produktów do higieny intymnej i produktów do detailingu samochodowego.
Niejonowe środki powierzchniowo czynne
Niejonowe środki powierzchniowo czynne mają niejonową część hydrofilową. Charakteryzują się dobrą biodegradowalnością. Mogą mieć różne właściwości i dlatego są stosowane w wielu gałęziach przemysłu – w przemyśle chemicznym, tekstylnym, metalurgicznym i kosmetycznym.
Zwykle mają dobre właściwości emulgujące i zwilżające, a także służą jako skuteczne detergenty. W kosmetologii wykorzystywane są w produkcji szamponów i środków myjących, często występując obok anionowych środków powierzchniowo czynnych w celu ograniczenia ich drażniącego działania.
Przykładem takiego związku jest Polysorbate 20, który stosowany jest jako emulgator w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym. Jego celem jest poprawa konsystencji i stabilności kosmetyków, takich jak kremy, dezodoranty, oliwki dla dzieci i produkty do pielęgnacji włosów.
Produkcja środków powierzchniowo czynnych
W przeszłości środki powierzchniowo czynne były produkowane wyłącznie z surowców petrochemicznych. Zwiększona świadomość ekologiczna i globalne inicjatywy mające na celu zmniejszenie emisji CO2 doprowadziły do obecnej praktyki pozyskiwania ich głównie z węglowodorów i kwasów tłuszczowych pochodzenia roślinnego. Możliwa jest również produkcja biosurfaktantów, czyli związków powierzchniowo czynnych wytwarzanych przy pomocy mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych.
Przykładem zastosowania surfaktantów pochodzenia roślinnego są płyny do mycia naczyń i dodatki herbicydowe na bazie oleju rzepakowego.
Zastosowania środków powierzchniowo czynnych
Środki powierzchniowo czynne znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a także w gospodarstwach domowych. Poniżej omawiamy najpopularniejsze sposoby wykorzystania środków powierzchniowo czynnych.
Przemysł kosmetyczny
W przemyśle kosmetycznym właściwości pieniące, dyspergujące i emulgujące środków powierzchniowo czynnych mają ogromne znaczenie. Są one stosowane w szamponach i środkach myjących, pozwalając na skuteczne usuwanie różnych zanieczyszczeń z powierzchni ciała lub włosów. Wykorzystywane są również jako emulgatory w kosmetykach. Ze względu na swoje właściwości biostatyczne i biobójcze wykorzystywane są również do ochrony preparatów kosmetycznych przed drobnoustrojami. Surfaktanty do produkcji kosmetyków dostępne są w sklepie Foodcom.
Chemia gospodarcza
W branży chemii gospodarczej środki powierzchniowo czynne pełnią rolę detergentów. Stosowane są jako środki czyszczące, piorące i myjące, a także jako zagęszczacze i zmiękczacze. Zapewniają również ochronę przed mikroorganizmami.
Przemysł metalurgiczny i naftowy
Środki powierzchniowo czynne są również stosowane w przemyśle naftowym do eksploatacji złóż ropy naftowej i odsalania ropy naftowej, działając jako środek demulgujący. Służą również jako dodatki do produktów ropopochodnych. W metalurgii wykorzystywane są do czyszczenia powierzchni metalowych.
Inne zastosowania
Oprócz wymienionych, środki powierzchniowo czynne mają szereg innych zastosowań w przemyśle. W przemyśle tekstylnym są stosowane jako środki zwilżające, piorące, emulgujące i dyspergujące, a także jako środki pomocnicze do zmiękczania i barwienia tkanin. W przemyśle spożywczym są stosowane jako emulgatory, środki stabilizujące i środki spieniające. W mikroelektronice wykorzystywane są do produkcji materiałów półprzewodnikowych i cząstek magnetycznych, a w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji szamponów samochodowych i preparatów zapobiegających parowaniu szyb. Są one również wykorzystywane w produkcji farb, lakierów, środków przeciwdrobnoustrojowych do ochrony drewna oraz jako składniki pestycydów.
Czy środki powierzchniowo czynne zmiękczają twardą wodę?
Środki powierzchniowo czynne mają działanie zmiękczające. Zmiękczają twardą wodę poprzez adsorpcję zawartych w niej cząsteczek, dzięki czemu myta powierzchnia jest bardziej wilgotna, a cząsteczki brudu łatwiej rozpuszczają się w wodzie. Twarda woda powoduje jednak większe zużycie środków powierzchniowo czynnych stosowanych jako detergenty – ich ilość potrzebna do uzyskania odpowiedniej piany i efektu prania lub zmywania jest większa niż w przypadku stosowania miękkiej wody. Z tego powodu producenci proszków do prania, detergentów i środków piorących często stosują dodatki w postaci zmiękczaczy wody, takich jak roztwór soli sodowych kopolimerów akrylowo-maleinowych lub zeolitów.
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, a także w glebach, skąd trafiają do roślin i organizmów żywych. Środki powierzchniowo czynne łatwo gromadzą się w organizmach, co może prowadzić do niebezpiecznego zjawiska biokoncentracji.
Surfaktanty mogą również działać drażniąco na ludzką skórę. Dotyczy to zwłaszcza preparatów zawierających znaczne ilości środków powierzchniowo czynnych, takich jak chemia gospodarcza. Ekspozycja na takie związki może skutkować podrażnieniami i reakcjami alergicznymi. Surfaktanty zawarte w kosmetykach i środkach do mycia ciała należą do grupy środków powierzchniowo czynnych, które są łagodne dla skóry.
Surfaktanty wykorzystywane są w wielu różnych branżach. Przy wyborze odpowiedniego związku ważne jest, aby wziąć pod uwagę jego właściwości, pH produktu, indeks HLB i CMC, który mówi o zdolności środka powierzchniowo czynnego do tworzenia miceli. Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę skutki uboczne związku, jego działanie drażniące i ewentualne dodatki łagodzące te negatywne skutki. W dzisiejszych czasach kluczowe znaczenie ma również dbałość o środowisko, dlatego dobrze jest wybierać do produkcji związki pochodzenia roślinnego lub mikrobiologicznego, które łatwo ulegają biodegradacji.
