Características de la estructura molecular de los tensioactivos
Respuesta rápida: Los aditivos de control de superficies generalmente se seleccionan por tipo de defecto, compatibilidad y ventana de dosificación. La opción comercial más sólida es aquella que soluciona el problema real sin crear uno nuevo.
Tensión superficial y sustancias tensoactivas
Los solutos que se adsorben positivamente en una solución acuosa reducen la tensión superficial del agua, mientras que los solutos que se adsorben negativamente aumentan la tensión superficial del agua.
Materiales tensioactivos (materiales tensioactivos): un gran grupo de sustancias que pueden producir una adsorción positiva en solución acuosa y así reducir significativamente la tensión superficial del agua. Por ejemplo, etanol, ácido propiónico, dodecilsulfato de sodio, etc.
La naturaleza de tales sustancias para reducir la tensión superficial del agua se llama actividad superficial (actividad superficial); en consecuencia, no se puede producir una adsorción positiva que no pueda reducir la tensión superficial del agua y se denominan sustancias no tensioactivas, como sales inorgánicas, glucosa, etc.
Tensioactivos (surfactantes): en las sustancias tensioactivas, hay una clase de sustancias en una concentración muy baja que puede hacer que la tensión superficial del agua disminuya significativamente, pero cuando la concentración aumenta a un cierto valor, la tensión superficial ya no disminuirá o disminuirá muy lentamente, la gente llama a esta clase de sustancias tensioactivas tensioactivos (tensioactivos), como dodecilsulfato de sodio, bromuro de dodeciltrimetilamonio y bromuro de nonilo. Tensioactivos, como dodecilsulfato de sodio, bromuro de dodeciltrimetilamonio y éter de nonilfenol polioxietileno (9) y otras sustancias.
Estructura molecular de los tensioactivos
Los primeros tensioactivos utilizados por los humanos fueron las sales de sodio (o potasio) de ácidos grasos, comúnmente conocidos como jabones.
En los primeros días, la gente mezclaba grasas vegetales y animales y una solución acuosa de ceniza de pasto y la calentaba para hacer jabón.
Posteriormente, con el avance de la industria química, la sosa cáustica (NaOH), se popularizó mediante la saponificación alcalina de grasas y aceites para producir jabón.
En las décadas de 1920 y 1930, la Primera Guerra Mundial provocó una escasez de grasas y aceites, con el fin de desarrollar sustitutos del jabón, nacieron en Alemania los tensioactivos sintéticos, como los alquilbencenosulfonatos, los alcoholes grasos, los sulfatos, etc. Estos tensioactivos tienen moléculas comunes.
Estas moléculas de tensioactivos tienen una estructura molecular común, es decir, las moléculas contienen grupos hidrófilos y lipófilos, por ejemplo, el grupo hidrófilo en el jabón es -COONa, y en el alquilbencenosulfonato de sodio el grupo hidrófilo es -SO3Na, y los grupos lipófilos son todos cadenas alquilo largas.Hoy en día, este tipo de molécula se llama molécula anfifílica, en la que el grupo hidrófilo es iónico. La estructura de la molécula anfifílica es muy similar a las cerillas, la parte de la bola es un grupo hidrófilo, la parte del tallo es un grupo alquilo y es un grupo lipófilo.
Como se muestra en la Figura 1
Figura 1 Diagrama esquemático del modelo de tensioactivos de bola y palo y su disposición direccional en la interfaz agua/aire (aceite).
El grupo hidrofílico hace que las moléculas tengan cierta solubilidad en agua.
El grupo lipofílico hace que este tipo de moléculas tengan cierta solubilidad en aceite.
Cuando estas moléculas están en contacto con el agua, el grupo hidrofílico en la molécula tiene una fuerte hidratación con las moléculas de agua y conduce a la disolución, mientras que el grupo lipófilo en la molécula tiene una fuerte tendencia a escapar del ambiente acuoso debido a la falta de afinidad con las moléculas de agua, y estos dos efectos diametralmente opuestos hacen que las moléculas se enriquezcan en la interfaz agua/aire o en la interfaz agua/aceite, con el grupo hidrofílico en la fase acuosa y el grupo lipófilo en la fase aire o aceite. fase, en la interfaz. disposición orientada, como se muestra en la Fig. 1.
El resultado combinado es una adsorción positiva del surfactante en solución acuosa, lo que resulta en una disminución significativa en la tensión superficial del agua o la tensión en la interfaz aceite/agua.
La estructura molecular de los tensioactivos tiene una cosa en común: su molécula consta de dos partes: una parte es amante de los disolventes; la otra parte es amante de los disolventes.
Una parte es prosolvente; la otra parte odia los disolventes (hidrófoba).
Debido a que los surfactantes se usan generalmente en soluciones acuosas, a menudo se les llama a las dos partes del surfactante grupo hidrofílico (parte polar) y grupo hidrofóbico (hidrófobo) (parte no polar), el grupo hidrofóbico también se llama grupo lipófilo.
Como se muestra en la Fig. 2 (a).
Figura 2 Diagrama esquemático de la estructura molecular de los tensioactivos (a)
Tamaño del CH3 (CH2)11SO4 (b)
Tomando como ejemplo un tensioactivo común, el dodecilsulfato de sodio [CH3(CH2)11SO4Na].
En solución acuosa, CH3(CH2)11SO4Na se ioniza a CH3(CH2)11SO4 y Na+, y es el CH3(CH2)11SO4, conocido como el ion tensioactivo, el que desempeña el papel principal.
Está compuesto por el grupo no polar CH3(CH2)11-, que es un grupo hidrófobo (lipófilo), y el polar SO4, que es un grupo hidrófilo. El Na+, por otro lado, se llama contraión. La magnitud de CH3 (CH2)11SO4 se muestra en la Fig. 2 (b).
Esta estructura particular de los tensioactivos se llama estructura anfifílica (el grupo hidrófilo es hidrófilo y el grupo hidrófobo es lipófilo). Por tanto, los tensioactivos son una clase de compuestos anfifílicos.El grupo hidrofóbico de un tensioactivo generalmente está compuesto por un grupo hidrocarbonado de cadena larga, dominado por una cadena hidrocarbonada, mientras que el grupo hidrofílico (grupo polar, grupo principal) tiene una amplia variedad de grupos, incluidos grupos iónicos cargados y grupos polares sin carga.
Todas las moléculas de sustancias tensioactivas tienen una estructura molecular anfifílica. En términos de solución acuosa, la hidrofilicidad del grupo hidrofílico y la lipofilicidad del grupo lipófilo deben coincidir básicamente para tener una actividad superficial significativa; cualquiera de los lados es demasiado fuerte o demasiado débil debilitará significativamente las moléculas anfifílicas de actividad superficial.
Cuando el número de átomos de carbono es inferior a 8, la hidrofilicidad es demasiado fuerte, por ejemplo, el ácido fórmico, el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico tienen una estructura anfifílica, pero solo tienen actividad superficial, no pueden ser tensioactivos.
La cadena hidrófoba de un tensioactivo en el sentido general debe ser lo suficientemente grande, generalmente superior a 8 átomos de carbono (no existe un límite estricto).
Por el contrario, cuando el número de átomos de carbono es superior a 20, la lipofilia es demasiado fuerte, la solubilidad en agua es muy pequeña y no puede ser un tensioactivo típico. Por ejemplo, en el caso del jabón, los ácidos grasos se convierten en buenos tensioactivos cuando sus átomos de carbono están en el rango de 8 a 20.
Funciones básicas de los tensioactivos
Los tensioactivos son sustancias químicas finas funcionales.
Hay dos funciones más básicas de los tensioactivos:
El primero es
Adsorción en la superficie (límite), formando una película de adsorción (generalmente película monomolecular);
El segundo es
Autopolimerización dentro de la solución, formando muchos tipos de conjuntos molecularmente ordenados.
De estas dos funciones, una variedad de otras
funciones de la aplicación.
La adsorción de tensioactivos en la superficie da como resultado una reducción de la tensión superficial y un cambio en la química superficial del sistema.
Así, el tensioactivo tiene las funciones de espumar, desespumar, emulsionar, desemulsionar, dispersar, flocular, humedecer, esparcir, penetrar, lubricar, antiestático y bactericida.
Los tensioactivos se autopolimerizan dentro de la solución para formar diversas formas de conjuntos molecularmente ordenados, como micelas, anticoloides, vesículas, cristales líquidos, etc. Estos conjuntos molecularmente ordenados exhiben una amplia variedad de funciones de aplicación.
La más básica de ellas es la función solubilizante (también conocida como solubilizante) de las micelas.
A partir del efecto solubilizante de las micelas y otros conjuntos molecularmente ordenados se han derivado funciones como la catálisis de micelas, la formación de microemulsiones y su uso como medios de reacción espaciadores y microrreactores, transportadores de fármacos, etc.
La función detergente de los tensioactivos también está relacionada en gran medida con el efecto solubilizante de las micelas sobre el aceite.
El tamaño de las composiciones de tensioactivos ordenadas molecularmente o el espesor de las capas moleculares agregadas está cerca de la escala nanométrica, lo que puede proporcionar un lugar y condiciones adecuados para la formación de partículas ultrafinas con «efecto de tamaño cuántico».
Por lo tanto, los conjuntos tensioactivos ordenados molecularmente se pueden utilizar como plantillas (función de plantilla) para la preparación de partículas ultrafinas (por ejemplo, nanopartículas).
La estructura especial de los conjuntos molecularmente ordenados los hace óptimos para modelar biopelículas.
Los conjuntos molecularmente ordenados también se pueden reorganizar para formar estructuras ordenadas avanzadas (estructuras supramoleculares), cuyas soluciones exhiben un comportamiento de fase novedoso y complejo o propiedades reológicas, propiedades ópticas, reactividad química, etc. inusuales. Así, tienen otras funciones de aplicación especiales.
Principios de aplicación de tensioactivos en detergentes
Aplicación de tensioactivos en campos tradicionales.
Los tensioactivos tienen una serie de propiedades superiores como humectantes, emulsionantes, dispersantes, solubilizantes, espumantes y antiespumantes, penetrantes, lavantes, antiestáticos, bactericidas, etc. Tienen una amplia gama de aplicaciones en campos civiles tradicionales como detergentes, cosméticos, productos de higiene personal, etc., así como en campos industriales y tecnológicos como textiles, alimentos, medicinas y pesticidas, pinturas y revestimientos, construcción, flotación de minerales, energía, pulpa y papel, curtidos. y otras industrias.
En los últimos años, el desarrollo de alta y nueva tecnología está cambiando día a día, y los tensioactivos con sus funciones únicas en nanotecnología, protección del medio ambiente; Los nuevos materiales, las ciencias biológicas y otros campos de alta tecnología se convierten en productos indispensables.
Principio de aplicación de tensioactivos en detergentes.
Los detergentes son productos químicos de uso diario que se formulan a partir de tensioactivos, detergentes y auxiliares para eliminar la suciedad de la superficie de los objetos y lograr el propósito de limpieza y limpieza.
Actualmente, los detergentes comúnmente utilizados en el ámbito civil incluyen principalmente detergentes para ropa y suavizantes para limpiar ropa, detergentes y líquidos para lavar platos para limpiar vajillas, frutas y verduras, desengrasantes para la cocina, limpiadores de inodoros para limpiar inodoros y otras categorías importantes.El tensioactivo es el ingrediente principal del detergente, por lo que el detergente y el tensioactivo, además de una excelente capacidad de lavado y descontaminación, también tienen buena capacidad de humectación, formación de espuma, emulsificación, dispersión y solubilización.
Los primeros detergentes solían utilizar un solo tensioactivo, como el alquilbencenosulfonato de sodio. Sin embargo, hoy en día los detergentes utilizan generalmente tensioactivos complejos, tales como complejos aniónicos/aniónicos o complejos aniónicos/no iónicos.
Debido al efecto sinérgico entre las mezclas de tensioactivos, los detergentes a veces tienen una buena detergencia detergente con contenidos de tensioactivos más bajos.
Se han introducido brevemente el proceso de descontaminación de detergentes y el mecanismo relacionado. El núcleo del proceso es separar la suciedad de la superficie del objeto a limpiar mediante la acción fisicoquímica de los tensioactivos y la acción mecánica y acuosa del flujo de agua, y ser arrastrada por el flujo de agua.
La adsorción del tensioactivo sobre la superficie de la suciedad y el sustrato es la clave, y de ello se deriva la siguiente serie de acciones básicas.
(1) Penetración y humectación
Durante el proceso de lavado, las moléculas tensioactivas pueden adsorberse sobre la superficie del artículo y la suciedad, reduciendo la tensión interfacial entre el medio (generalmente agua) y la superficie del artículo, así como entre el medio y la superficie de la suciedad, de modo que el medio puede penetrar entre la superficie del artículo y la suciedad y penetrar en el interior del artículo. Esta acción se denomina acción de penetración humectante del detergente.
La humectación del líquido de lavado sobre el artículo de lavado es un requisito previo para el lavado; si el líquido de lavado no puede mojar bien el artículo, no se produce un buen efecto de lavado y descontaminación.
El efecto de penetración humectante de la solución detergente no sólo reduce la atracción entre la superficie del artículo y la superficie de la suciedad, sino que también reduce la atracción entre las partículas de suciedad, que pueden romperse en partículas finas y dispersarse en el medio cuando se aplica una fuerza externa apropiada.
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(2) Emulsificación y dispersión
En el proceso de lavado, con la ayuda de los efectos físicos y químicos de los tensioactivos y la agitación mecánica, el aceite se emulsiona para formar una emulsión O/W. La mayoría de las soluciones acuosas de detergentes con buen rendimiento tienen baja tensión superficial y tensión interfacial aceite/agua.
Al mismo tiempo, en la tensión interfacial más baja, el tensioactivo en la interfaz aceite/agua para formar una cierta resistencia de la película interfacial, puede prevenir la agregación de perlas de aceite, favorece la estabilidad de la emulsión, de modo que las manchas de aceite no son fáciles de depositar nuevamente en la superficie de los productos.La tensión interfacial más baja favorece la emulsificación de la suciedad líquida y, por tanto, favorece la eliminación de la suciedad líquida.
Por supuesto, durante el proceso de lavado, la suciedad líquida no se disuelve directamente en el medio, sino que, bajo la acción del tensioactivo, primero se «enrolla» y luego se desprende de la superficie del artículo bajo la acción del flujo de agua, se emulsiona y se suspende en el medio.
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(3) Efecto solubilizante
Cuando la concentración de surfactante es mayor que la concentración micelar crítica (cmc), se forman micelas en la solución. Algunas sustancias insolubles o ligeramente solubles en el medio acuoso se difundirán hacia las micelas, aumentando así significativamente su solubilidad en el medio; este efecto se denomina solubilización de las micelas.
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Además de la emulsificación, la solubilización del aceite mediante micelas puede ser la otra forma principal de eliminar la suciedad líquida de las superficies sólidas.
Los aceites no polares generalmente se solubilizan en el núcleo no polar de las micelas, mientras que los aceites polares pueden solubilizarse en la región del grupo polar de la capa micelar dependiendo de su polaridad y estructura molecular; en el caso de los aceites anfifílicos, el grupo polar de la molécula del aceite quedará «anclado» a la superficie de la micela, mientras que la cadena hidrocarbonada apolar se insertará en el núcleo micelar.
Se ha demostrado que cuando la concentración de tensioactivo es mayor que cmc, el aumento de la detergencia es muy limitado, por lo que la solubilización no es un factor importante en el proceso de lavado.
Sin embargo, en el proceso de lavado local (como frotar la ropa localmente untada con jabón u otros detergentes, así como lavarse la cara y las manos con jabón, etc.), la cantidad de detergente es grande, la concentración de tensioactivo es muy alta, en este momento la solubilización del aceite en las micelas será el principal mecanismo de eliminación del aceite.
(4) Efecto espumante
El detergente reduce la tensión interfacial entre el medio/aire, de modo que el aire puede dispersarse en el medio y la formación de burbujas. Al mismo tiempo, el tensioactivo en la superficie de la burbuja forma una capa sólida de disposición direccional de la película, para mantener la estabilidad de la espuma, que es la estabilización de la burbuja.
Aunque el efecto de espuma y lavado no tiene una relación directa correspondiente, puede adsorber la suciedad que se ha dispersado para que se acumule en la espuma y la suciedad en la superficie de la solución del medio.
Sin embargo, en el proceso de lavado industrial o en el proceso de lavado de lavadoras familiares, la aparición de espuma da la impresión de que no se enjuaga, por lo que es necesario aumentar el número de enjuagues, por lo que el lavado a máquina suele ser un detergente de tipo bajo en espuma.
Cómo suelen evaluar los compradores los aditivos de tinta y recubrimiento
La selección de aditivos suele ser más efectiva cuando el equipo define primero el defecto y luego analiza la compatibilidad, el rango de dosificación y la etapa del proceso. Esto suele ser mucho más confiable que elegir solo por familia química o por un único resultado de laboratorio dramático.
- Comience por el defecto, no por el nombre del aditivo: la pérdida de humectación, los cráteres, la microespuma y la inestabilidad a menudo necesitan diferentes soluciones incluso dentro de la misma fórmula.
- Compruebe la compatibilidad con la dosis prevista:, el aditivo más fuerte, aún puede ser una elección comercial equivocada si reduce demasiado la ventana del proceso.
- Revise la etapa de uso: algunos productos son más útiles durante la molienda, mientras que otros son más importantes durante el descenso, el llenado o la aplicación final.
- Equilibrar la calidad del curado o de la película con control de defectos: el aditivo adecuado soluciona el problema sin sacrificar la adhesión, el brillo o la apariencia.
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Preguntas frecuentes para compradores y formuladores
¿Por qué un aditivo que parece poderoso en un vaso de precipitados a veces falla en la producción?
Porque el corte, la temperatura, el sustrato y la fórmula completa pueden cambiar la forma en que se desempeña el aditivo en condiciones reales de proceso.
¿Se debe preferir siempre el aditivo más agresivo?
No suele ser así. El mejor aditivo es aquel que soluciona el defecto real conservando al mismo tiempo la ventana de funcionamiento segura más amplia.
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