Multifunkcjonalne surfaktanty

• Strona główna
• Artykuły
• Multifunkcjonalne surfaktanty

2016-06-06  / Autor: Justyna Brycka, Inter-Iodex Sp. z o.o.

Ogromne zużycie surfaktantów, przekraczające w skali globalnej dziesięć milionów ton rocznie, przy prognozach sięgających 25 mln ton w 2020 roku, stwarza poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego.

Dlatego też, nieustannie prowadzone są intensywne badania zmierzające do otrzymania nowych, efektywniejszych związków powierzchniowo czynnych, które pozwoliłyby na znaczne zmniejszenie ilości dotychczas stosowanych surfaktantów, a ich działanie byłoby zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Spośród czterech podstawowych grup związków powierzchniowo czynnych – anionowych, kationowych, niejonowych i amfoterycznych – bardzo duże znaczenie mają kationowe związki powierzchniowo czynne, w szczególności czwartorzędowe sole alkiloamoniowe (QAC). Wynika to przede wszystkim z możliwości tworzenia przez kationowe związki powierzchniowo czynne zróżnicowanych morfologicznie układów w roztworach wodnych, charakteryzujących się specyficznymi właściwościami emulgującymi i dyspergującymi, jak również bardzo dobrą aktywnością przeciwdrobnoustrojową, obejmującą bakterie, grzyby, algi i wirusy. Syntetyczne surfaktanty, podobnie jak naturalne związki powierzchniowo czynne w układach biologicznych, są znacznie bardziej aktywne w mieszaninach binarnych, zwłaszcza takich, w których różnica ładunków pomiędzy surfaktantami jest największa. Stąd też, synergizm działania osiąga maksymalną wielkość w mieszaninach kationowych i anionowych związków powierzchniowo czynnych, jakkolwiek w mieszaninach binarnych typu surfaktant kationowy/surfaktant niejonowy lub surfaktant kationowo – kationowy, efekt ten jest również widoczny.

Przykładem synergistycznego działania kationowych i anionowych związków powierzchniowo czynnych jest binarna, równomolowa mieszanina soli sodowej siarczanu laurylu (SDS) i bromku dodecylotrimetyloamoniowego (DTAB). Czysta sól sodowa siarczanu laurylu (SDS) w stężeniu 4,5 M obniża napięcie powierzchniowe do 50 mN/m, podczas gdy w równomolowej mieszaninie anionowego SDS i kationowego DTAB napięcie powierzchniowe o tej samej wartości uzyskuje się w stężeniu pięćset razy mniejszym, tj. 9.10^-3 M.

W ostatnich latach szczególnego znaczenia nabierają podwójne czwartorzędowe sole alkiloamoniowe, tzw. gemini surfaktanty. Związki te można traktować jako połączone ze sobą monomeryczne sole alkiloamoniowe, które mogą mieć taką samą lub różną strukturę.

Łącznik wiążący monomeryczne surfaktanty w części polarnej lub w jej bezpośrednim sąsiedztwie może być zarówno elastyczny, jak i sztywny lub półsztywny, może mieć również charakter hydrofobowy lub hydrofilowy.

Nazewnictwo niepodstawionych gemini surfaktantów jest często używane w wersji uproszczonej, [m-s-m], opisującej długość łańcucha hydrofobowego oraz liczbę grup metylenowych w łączniku.

Dla geminini surfaktantu, dibromku polimetyeno-α,ω-bis(N-alkilo-N,N-dimetylamoniowego) opisem skróconym jest [m-s-m].

Właściwości powierzchniowo czynne gemini surfaktantów, wyrażone między innymi przez napięcie powierzchniowe, γ, lub cmc (critical micelle concentration), jak również ich aktywność przeciwdrobnoustrojowa, wyrażona przez MIC (Minimal Inhibitory Concentration), są od dwóch do trzech rzędów wielkości lepsze w porównaniu z ich monomerycznymi analogami. Unikatowe właściwości gemini surfaktantów wynikają bezpośrednio ze struktury tworzonych w wodzie agregatów. Monomeryczne surfaktanty tworzą w wodzie micele, których wielkość i morfologia, jak również stopień agregacji, zależą przede wszystkim od długości hydrofobowego łańcucha. W przypadku gemini surfaktantów, dodatkowym czynnikiem determinującym stopień agregacji i wielkość miceli jest struktura łącznika. Przy tej samej długości łańcucha hydrofobowego w monomerycznym i dimerycznym surfaktancie, liczba cząsteczek tworzących micele w układzie dimerycznym będzie zawsze mniejsza z uwagi na zdeterminowane odległości pomiędzy hydrofilowymi częściami surfaktantu.

Aktywność powierzchniowa i międzyfazowa
Możliwość modyfikacji struktury podwójnych soli alkiloamoniowych – gemini surfaktantów – stwarza niemalże nieograniczone możliwości opracowania związku przeznaczonego do specyficznych zastosowań.

Poprzez zmianę długości łańcuchów hydrofobowych, wprowadzenie do łącznika heteroatomów, jak azot, siarka, tlen czy fosfor, wprowadzenie układów π-elektronowych sztywnych lub półsztywnych lub wprowadzenie grup hydroksyetylowych lub glucitylowych umożliwia otrzymanie surfaktantu charakteryzującego się żądanym HLB (hydrophilic-lipophilic balance), cmc, MIC, odpowiednimi właściwościami dyspergującymi oraz wysokim stopniem hamowania korozji. Zróżnicowanie właściwości hydrofilowo-lipofilowych (HLB) surfaktantów pozwalające na ich wykorzystanie jako emulgatorów czy też solubilizatorów, związane jest z wprowadzeniem grup hydroksylowych lub podstawników hydrofilowych oraz optymalizacją ugrupowań hydrofobowych. Prowadzi to nie tylko do uzyskania odpowiedniej wartości HLB, ale również minimalizuje wartość cmc.

Przykładem może być porównanie bromku trimetylododecyloamoniowego (DTAB), który jest wzorcem monomerycznych soli alkiloamoniowych, dla którego wartość cmc wynosi 15,1 mM z gemini surfaktantem [16-2-16], zawierającym 16 atomów węgla w łańcuchu hydrofobowym i dwie grupy metylenowe w łączniku, dla którego wartość cmc jest ponad siedemset razy mniejsza i wynosi 0,021 mM[5]. Podobne zmiany dotyczą obniżenia wartości C20, tj. stężenia surfaktantu, które powoduje redukcję napięcia powierzchniowego roztworu o 20 mN/m. Dla DTAB wartość powyższa wynosi 5,25 mM, natomiast dla [16-2-16] obniża się do 2,6·10^-4, czyli ponad trzydzieści tysięcy razy.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 1/2016 KWARTALNIKA "CHEMIA I BIZNES. RYNEK KOSMETYCZNY I CHEMII GOSPODARCZEJ". ZAPRASZAMY.

chemia gospodarczasurfaktantygemini surfaktanty