ПАВ - Surfactant

Схематическая диаграмма мицеллы масла в водной суспензии, такой как может происходить в эмульсии масла в воде. В этом примере маслорастворимые хвосты молекул поверхностно-активного вещества выступают в масло (синий), в то время как водорастворимые концы остаются в контакте с водной фазой (красный).

Поверхностно-активные вещества - это соединения, которые снижают поверхностное натяжение (или межфазное натяжение) между двумя жидкостями, между газом и жидкостью или между жидкостью и твердым телом. Поверхностно-активные вещества могут действовать как детергенты , смачивающие агенты, эмульгаторы , пенообразователи или диспергаторы . Слово «поверхностно -активное вещество» представляет собой смесь из серфинга туз действовать ив а д Е NT , придуман с.   1950 .

Агенты, которые увеличивают поверхностное натяжение, являются «поверхностно-активными» в буквальном смысле, но не называются поверхностно-активными веществами, поскольку их действие противоположно общепринятому значению. Типичный пример увеличения поверхностного натяжения - высаливание : при добавлении неорганической соли к водному раствору слабополярного вещества вещество выпадает в осадок. Вещество само по себе может быть поверхностно-активным веществом - это одна из причин, по которой многие поверхностно-активные вещества неэффективны в морской воде.

Принципиальная схема мицеллы  - липофильные хвосты ионов ПАВ остаются внутри масла, потому что они сильнее взаимодействуют с маслом, чем с водой. В полярные «головы» из молекул ПАВ , покрывающих мицеллы сильнее взаимодействуют с водой, так что они образуют гидрофильный внешний слой , который образует барьер между мицелл. Это препятствует слиянию масляных капель, гидрофобных ядер мицелл в меньшее количество более крупных капель («разрушение эмульсии») мицеллы. Соединения, покрывающие мицеллы, обычно имеют амфифильную природу, что означает, что мицеллы могут быть стабильными либо в виде капель апротонных растворителей, таких как масло в воде, либо в виде протонных растворителей, таких как вода в масле. Когда капля апротонна, ее иногда называют обратной мицеллой.

Состав и структура

Поверхностно-активные вещества обычно представляют собой органические соединения, которые являются амфифильными , что означает, что они содержат как гидрофобные группы (их хвосты ), так и гидрофильные группы (их головы ). Следовательно, поверхностно-активное вещество содержит как водонерастворимый (или маслорастворимый) компонент, так и водорастворимый компонент. Поверхностно-активные вещества будут диффундировать в воде и адсорбироваться на границе раздела между воздухом и водой или на границе раздела между маслом и водой в случае, когда вода смешивается с маслом. Нерастворимая в воде гидрофобная группа может выходить из основной водной фазы в воздух или в масляную фазу, в то время как водорастворимая головная группа остается в водной фазе.

Мировое производство поверхностно-активных веществ оценивается в 15 миллионов тонн в год, из которых около половины составляет мыло . К другим поверхностно-активным веществам, производимым в особо крупных масштабах, относятся линейные алкилбензолсульфонаты (1,7 млн ​​т / год), сульфонаты лигнина (600 000 т / год), этоксилаты жирных спиртов (700 000 т / год) и этоксилаты алкилфенола (500 000 т / год).

Стеарат натрия, наиболее распространенный компонент большинства мыла, который составляет около 50% коммерческих поверхностно-активных веществ.
Додецилбензолсульфонат натрия
4- (5-Додецил) бензолсульфонат, линейный додецилбензолсульфонат, одно из наиболее распространенных поверхностно-активных веществ

Структура фаз ПАВ в воде

В основной водной фазе поверхностно-активные вещества образуют агрегаты, такие как мицеллы , где гидрофобные хвосты образуют ядро ​​агрегата, а гидрофильные головки контактируют с окружающей жидкостью. Также могут быть образованы другие типы агрегатов, такие как сферические или цилиндрические мицеллы или липидные бислои . Форма агрегатов зависит от химической структуры поверхностно-активных веществ, а именно от баланса размеров между гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Показателем этого является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение воды за счет адсорбции на границе раздела жидкость-воздух. Отношение, связывающее поверхностное натяжение и поверхностный избыток, известно как изотерма Гиббса .

Динамика ПАВ на границах раздела

Динамика адсорбции поверхностно-активного вещества имеет большое значение для практических применений, таких как процессы вспенивания, эмульгирования или нанесения покрытий, где быстро образуются пузырьки или капли, которые необходимо стабилизировать. Динамика поглощения зависит от коэффициента диффузии ПАВ. Когда поверхность раздела создается, адсорбция ограничивается диффузией поверхностно-активного вещества к границе раздела. В некоторых случаях может существовать энергетический барьер для адсорбции или десорбции поверхностно-активного вещества. Если такой барьер ограничивает скорость адсорбции, динамика называется «кинетически ограниченной». Такие энергетические барьеры могут быть вызваны стерическим или электростатическим отталкиванием . Поверхность реология ПАВЫХ слоев, в том числе упругости и вязкости слоя, играет важную роль в стабильности пены и эмульсий.

Определение характеристик границ раздела фаз и слоев поверхностно-активного вещества

Межфазное и поверхностное натяжение можно охарактеризовать классическими методами, такими как метод подвески или вращающейся капли . Динамическое поверхностное натяжение, то есть поверхностное натяжение как функция времени, может быть получено с помощью аппарата максимального давления пузырька.

Структура слоев поверхностно-активного вещества может быть изучена с помощью эллипсометрии или рентгеновского излучения .

Реология поверхности может быть охарактеризована методом колеблющейся капли или реометрами поверхности сдвига, такими как реометры поверхности сдвига с двойным конусом, двойным кольцом или магнитным стержнем.

В биологии

Дополнительная информация: Легочный сурфактант
Фосфатидилхолин , содержащийся в лецитине, является широко распространенным биологическим поверхностно-активным веществом. Показанный в красном - холина и фосфата группы; черный - глицерин ; зеленый - мононенасыщенная жирная кислота ; синий - насыщенная жирная кислота .

Человеческий организм производит различные поверхностно-активные вещества. Легочный сурфактант вырабатывается в легких для облегчения дыхания за счет увеличения общей емкости легких и эластичности легких . При респираторном дистресс-синдроме или RDS заместительная терапия сурфактантами помогает пациентам иметь нормальное дыхание за счет использования фармацевтических форм сурфактантов. Одним из примеров фармацевтических легочных поверхностно -активных веществ Survanta ( beractant ) или его общая форма Beraksurf производства Abbvie и Tekzima соответственно. Соли желчных кислот , поверхностно-активное вещество, вырабатываемое в печени, играют важную роль в пищеварении.

Безопасность и экологические риски

Большинство анионных и неионных поверхностно-активных веществ нетоксичны, имея LD50, сравнимую с поваренной солью . Токсичность соединений четвертичного аммония , которые обладают антибактериальным и противогрибковым действием , различна. Хлориды диалкилдиметиламмония ( DDAC , DSDMAC ), используемые в качестве смягчителей тканей, имеют низкую LD50 (5 г / кг) и практически нетоксичны, в то время как дезинфицирующее средство алкилбензилдиметиламмонийхлорид имеет LD50 0,35 г / кг. Длительное воздействие поверхностно-активных веществ может вызвать раздражение и повреждение кожи, поскольку поверхностно-активные вещества разрушают липидную мембрану, которая защищает кожу и другие клетки. Раздражение кожи обычно усиливается при приеме ряда неионных, амфотерных, анионных и катионных поверхностно-активных веществ.

Поверхностно-активные вещества обычно осаждаются различными способами на суше и в водные системы, будь то в рамках запланированного процесса или как промышленные и бытовые отходы.

Анионные поверхностно-активные вещества могут быть обнаружены в почвах в результате внесения осадка сточных вод, орошения сточных вод и процессов восстановления. Относительно высокие концентрации поверхностно-активных веществ вместе с мультиметаллами могут представлять опасность для окружающей среды. При низких концентрациях нанесение поверхностно-активного вещества вряд ли окажет существенное влияние на подвижность следов металлов.

В случае разлива нефти Deepwater Horizon беспрецедентное количество Corexit было распылено прямо в океан в месте утечки и на поверхность морской воды. Очевидная теория заключалась в том, что поверхностно-активные вещества изолируют капли масла, облегчая потребляющим нефть микробам переваривать масло. Активными ингредиентами Corexit являются диоктилсульфосукцинат натрия (DOSS), моноолеат сорбитана (Span 80) и полиоксиэтиленированный моноолеат сорбитана ( Tween-80 ).

Биоразложение

Из-за большого количества поверхностно-активных веществ, выбрасываемых в окружающую среду, их биоразложение представляет большой интерес. Стратегии усиления разложения включают обработку озоном и биоразложение. Два основных поверхностно -активные вещества, линейные алкилбензолсульфонаты (ЛАС) и алкилфенол этоксилаты (APE) разрушаются при аэробных условиях найдены в канализационных очистных установок и в почве до нонилфенола , которая , как полагают , чтобы быть эндокринной нарушающими . Интерес к биоразлагаемым поверхностно-активным веществам привел к большому интересу к «биологическим поверхностно-активным веществам», таким как вещества, полученные из аминокислот.

Большое внимание привлекает небиоразлагаемость фторсодержащего ПАВ , например перфтороктановой кислоты (ПФОК).

Приложения

Годовое мировое производство поверхностно-активных веществ в 2008 году составило 13 миллионов тонн. В 2014 году мировой рынок поверхностно-активных веществ достиг объема более 33 миллиардов долларов США. Исследователи рынка ожидают, что годовая выручка будет увеличиваться на 2,5% в год до примерно 40,4 млрд долларов до 2022 года. Наиболее значимым с коммерческой точки зрения типом поверхностно-активных веществ в настоящее время является анионное поверхностно-активное вещество LAS, которое широко используется в чистящих и моющих средствах.

Поверхностно-активные вещества играют важную роль в качестве очищающих, смачивающих , диспергирующих , эмульгирующих , вспенивающих и антивспенивающих агентов во многих практических применениях и продуктах, включая моющие средства , смягчители тканей , моторные масла , эмульсии , мыло , краски , клеи , чернила , средства против запотевания , лыжный воск , воск для сноуборда, очистка от краски переработанной бумаги , при флотации, стирке и ферментативных процессах, а также слабительные средства . Также агрохимические препараты, такие как гербициды (некоторые), инсектициды , биоциды (дезинфицирующие средства) и спермициды ( ноноксинол-9 ). Средства личной гигиены , такие как косметика , шампуни , гель для душа , кондиционеры для волос и зубные пасты . Поверхностно-активные вещества используются в пожаротушении и на трубопроводах (жидкие агенты, снижающие сопротивление жидкости). Полимеры щелочных поверхностно-активных веществ используются для мобилизации нефти в нефтяных скважинах .

Поверхностно-активные вещества вызывают вытеснение воздуха из матрицы ватных дисков и повязок, так что лекарственные растворы могут впитываться для нанесения на различные участки тела. Они также вытесняют грязь и мусор за счет использования моющих средств при промывании ран и нанесения лечебных лосьонов и спреев на поверхность кожи и слизистых оболочек.

Моющие средства в биохимии и биотехнологии

В растворе детергенты помогают солюбилизировать различные химические вещества, диссоциируя агрегаты и разворачивая белки. Популярными поверхностно-активными веществами в лаборатории биохимии являются лаурилсульфат натрия (SDS) и бромид цетилтриметиламмония (CTAB). Детергенты являются ключевыми реагентами для извлечения белка путем лизиса клеток и тканей: они дезорганизуют липидный бислой мембраны (SDS, Triton X-100 , X-114 , CHAPS , DOC и NP-40 ) и солюбилизируют белки. Более мягкие детергенты, такие как октилтиоглюкозид , октилглюкозид или додецилмальтозид , используются для солюбилизации мембранных белков, таких как ферменты и рецепторы, без их денатурации . Нерастворимый материал собирают центрифугированием или другими способами. Например , для электрофореза белки обычно обрабатывают SDS, чтобы денатурировать нативные третичные и четвертичные структуры , что позволяет разделить белки в соответствии с их молекулярной массой .

Моющие средства также использовались для децеллюляризации органов. Этот процесс поддерживает матрицу белков, которая сохраняет структуру органа и часто микрососудистую сеть. Этот процесс успешно использовался для подготовки таких органов, как печень и сердце, к трансплантации у крыс. Легочные сурфактанты также естественным образом секретируются клетками типа II альвеол легких у млекопитающих .

Подготовка квантовых точек

Поверхностно-активные вещества используются с квантовыми точками , чтобы управлять ростом, сборкой и электрическими свойствами квантовых точек, а также опосредовать реакции на их поверхности. Продолжаются исследования того, как поверхностно-активные вещества располагаются на поверхности квантовых точек.

Поверхностно-активные вещества в капельной микрофлюидике

Поверхностно-активные вещества играют важную роль в микрофлюидике на основе капель в стабилизации капель и предотвращении слияния капель во время инкубации.

Классификация

«Хвосты» большинства поверхностно-активных веществ довольно похожи и состоят из углеводородной цепи, которая может быть разветвленной, линейной или ароматической. Фторуглероды содержат фторуглеродные цепи. Силоксановые поверхностно-активные вещества имеют силоксановые цепи.

Многие важные поверхностно -активные вещества включают в себя полиэфирную цепь , заканчивающейся в сильно полярной анионной группе. Группы простого полиэфира часто содержат этоксилированные (подобные полиэтиленоксиду ) последовательности, вставленные для увеличения гидрофильности поверхностно-активного вещества. И наоборот, оксиды полипропилена могут быть введены для увеличения липофильности поверхностно-активного вещества.

Молекулы ПАВ имеют один или два хвоста; те, у кого два хвоста, называются двойной цепочкой .

Классификация ПАВ по составу их головы: неионогенные, анионные, катионные, амфотерные.

Чаще всего поверхностно-активные вещества классифицируются по группе полярных головок. Неионогенное поверхностно-активное вещество не имеет заряженных групп в своей голове. Головка ионного поверхностно-активного вещества несет чистый положительный или отрицательный заряд. Если заряд отрицательный, поверхностно-активное вещество более конкретно называют анионным; если заряд положительный, он называется катионным. Если поверхностно-активное вещество содержит головку с двумя противоположно заряженными группами, оно называется цвиттерионным . Обычно встречающиеся поверхностно-активные вещества каждого типа включают:

Анионные: сульфатные, сульфонатные и фосфатные, производные карбоксилата

Анионные поверхностно-активные вещества содержат в своей голове анионные функциональные группы, такие как сульфат , сульфонат , фосфат и карбоксилаты . Известные алкилсульфаты включают лаурилсульфат аммония , лаурилсульфат натрия (додецилсульфат натрия, SLS или SDS) и родственные алкилэфирсульфаты лауретсульфат натрия (лауриловый эфир сульфат натрия или SLES) и миретсульфат натрия .

Другие включают:

Карбоксилаты являются наиболее распространенными поверхностно-активными веществами и включают карбоксилатные соли (мыла), такие как стеарат натрия . Более специализированные виды включают лауроилсаркозинат и фторсодержащие ПАВ на основе карбоксилата, такие как перфторонаноат , перфтороктаноат (PFOA или PFO).

Катионные головные группы

pH-зависимые первичные, вторичные или третичные амины ; первичный и вторичный амины становятся положительно заряженными при pH <10: дигидрохлорид октенидина .

Постоянно заряженные соли четвертичного аммония : бромид цетримония (CTAB), хлорид цетилпиридиния (CPC), хлорид бензалкония (BAC), хлорид бензетония (BZT), хлорид диметилдиоктадециламмония и бромид диоктадецилдиметиламмония (DODAB).

Цвиттерионные поверхностно-активные вещества

Цвиттерионные ( амфотерные ) поверхностно-активные вещества имеют как катионные, так и анионные центры, присоединенные к одной и той же молекуле. Катионная часть основана на первичных, вторичных или третичных аминах или катионах четвертичного аммония. Анионная часть может быть более вариабельной и включать сульфонаты, такие как сультаины CHAPS (3 - [(3-холамидопропил) диметиламмонио] -1-пропансульфонат) и кокамидопропилгидроксисультаин . Бетаины, такие как кокамидопропилбетаин, содержат карбоксилат аммония. Наиболее распространенные биологические цвиттерионные поверхностно-активные вещества содержат фосфат-анион с амином или аммонием, такие как фосфолипиды фосфатидилсерин , фосфатидилэтаноламин , фосфатидилхолин и сфингомиелины .

Lauryldimethylamine оксид и myristamine оксид являются двумя обычно используются цвиттерионный поверхностно -активным третичные оксиды аминов структурного типа.

Неионный

Неионные поверхностно-активные вещества имеют ковалентно связанные кислородсодержащие гидрофильные группы, которые связаны с гидрофобными исходными структурами. Водорастворимость кислородных групп является результатом водородных связей . Водородная связь уменьшается с повышением температуры, и поэтому растворимость неионных поверхностно-активных веществ в воде уменьшается с повышением температуры.

Неионные поверхностно-активные вещества менее чувствительны к жесткости воды, чем анионные поверхностно-активные вещества, и они менее сильно пенится. Различия между отдельными типами неионных поверхностно-активных веществ незначительны, и выбор в первую очередь регулируется с учетом стоимости особых свойств (например, эффективности и действенности, токсичности, дерматологической совместимости, биоразлагаемости ) или разрешения на использование в пищевых продуктах.

Этоксилаты

Этоксилаты жирных спиртов
Этоксилаты алкилфенола (APE или APEO)
Этоксилаты жирных кислот

Этоксилаты жирных кислот представляют собой класс очень универсальных поверхностно-активных веществ, которые объединяют в одной молекуле характеристику слабоанионной, чувствительной к pH головной группы с присутствием стабилизирующих и чувствительных к температуре единиц этиленоксида.

Специальные этоксилированные сложные эфиры жирных кислот и масла
Этоксилированные амины и / или амиды жирных кислот
Окончательно блокированные этоксилаты

Сложные эфиры жирных кислот и полигидроксисоединений

Эфиры жирных кислот глицерина
Сложные эфиры жирных кислот сорбита

Пролеты :

Подростки :

Эфиры жирных кислот сахарозы
Алкилполиглюкозиды
Основная статья: алкилполигликозид

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки