Metody badania właściwości adsorpcyjnych i agregacyjnych surfaktantów

• Strona główna
• Artykuły
• Metody badania właściwości adsorpcyjnych i agregacyjnych surfaktantów

Data publikacji: 2016-09-08 / Autor: Diana Mańko, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie

Jednak samo wprowadzenie wodnych/wodno-alkoholowych roztworów związków powierzchniowo czynnych do użytku w przemyśle i w składzie produktów stosowanych na co dzień w gospodarstwach domowych musi być poprzedzone dokładną analizą ich właściwości adsorpcyjnych i agregacyjnych. Taka analiza pozwala na odpowiedni dobór składu mieszanin surfaktantowych, przy którym otrzymane układy będą charakteryzowały się największą efektywnością i skutecznością działania, a jednocześnie minimalnym zużyciem związków stanowiących obecnie jedno z poważniejszych źródeł zanieczyszczeń środowiska naturalnego.

Badania właściwości adsorpcyjnych i agregacyjnych surfaktantów realizowane są najczęściej poprzez pomiary napięcia powierzchniowego serii roztworów o znanych stężeniach, a uzyskane wyniki pozwalają na opis procesu adsorpcji, wyznaczenie krytycznego stężenia micelizacji, określenie zarówno tendencji do gromadzenia się na granicy faz, jak i tendencji do tworzenia agregatów w objętości roztworów oraz na wyjaśnienie zjawiska synergetyzmu („wzmacniania”) właściwości w układach mieszanych.

Parametr HLB
W dzisiejszych czasach surfaktanty, a konkretniej ich wodne i wodno-alkoholowe roztwory, są wszechobecne. Tak powszechne stosowanie surfaktantów wynika z ich licznych właściwości użytkowych. Surfaktanty mogą pełnić rolę środków myjących, piorących i czyszczących, emulgatorów, deemulgatorów i stabilizatorów emulsji, dyspergatorów, solubilizatorów, substancji o działaniu pianotwórczym lub antypianotwórczym, a także czynników zwilżających. Zazwyczaj roztwory surfaktantów posiadają jednocześnie różne właściwości technologiczne, a użytecznym sposobem na określenie, które z nich są dominujące w przypadku konkretnego związku jest obliczenie wartości parametru HLB (hydrophilic-lipophilic balance), tzw. równowagi hydrofilowo-lipofilowej. System HLB został opracowany w 1949 roku przez Williama C. Griffina i bazuje na wykorzystaniu znajomości budowy cząsteczki badanego związku do określenia, w jakim stopniu jest on hydrofilowy/lipofilowy.

Projektowanie składu układów surfaktantowych
Znajomość parametru HLB różnych związków powierzchniowo czynnych jest bardzo pomocna przy projektowaniu składu mieszanych układów surfaktantowych, które w praktyce stosowane są znacznie częściej niż układy pojedyncze. Wyższa efektywność i wzajemne „wzmacnianie” właściwości poszczególnych składników w takich kompozycjach określane jest mianem synergetyzmu. Ze względu na fakt, iż skala HLB jest jednak tylko umowna, to dobór odpowiedniego składu jakościowego i ilościowego mieszanin stosowanych zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwach domowych wymaga przede wszystkim przeprowadzenia badań ich zdolności adsorpcyjnych i agregacyjnych determinujących właściwości użytkowe.

Zdolności adsorpcyjne i agregacyjne surfaktantów wynikają z ich amfifilowej, tzn. hydrofilowo-hydrofobowej budowy cząsteczki. To właśnie taki dwubiegunowy (asymetryczny) charakter budowy odpowiada za samorzutne gromadzenie się cząsteczek surfaktantów na różnych granicach faz (m.in. ciecz-ciecz, ciecz-gaz, czy ciało stałe-ciecz) oraz tworzenie w objętości roztworów agregatów koloidalnych rozmiarów zwanych micelami. Zarówno typ budowy, jak i tendencja związków powierzchniowo czynnych do adsorpcji i micelizacji bezpośrednio warunkują nie tylko samo występowanie, ale także i charakter ich właściwości użytkowych.

Surfaktanty adsorbują się na granicy dwóch faz, obniżając tym samym napięcie międzyfazowe (lub powierzchniowe w przypadku układu ciecz-gaz). Dzięki temu wodne roztwory związków powierzchniowo czynnych mają większą możliwość „penetracji” powierzchni stałych, a w konsekwencji także i efektywniejszego usuwania z niej zanieczyszczeń, niż czyste ciecze. Takie zdolności surfaktantów wykorzystywane są m.in. w procesie prania.

Wyznaczanie napięcia powierzchniowego
Najczęściej stosowany w praktyce rozpuszczalnik polarny – woda charakteryzuje się bardzo wysokim napięciem powierzchniowym (γ = 72,8 mN/m), co ogranicza jej stosowalność w wielu procesach technologicznych, przede wszystkim tych wymagających zwilżania powierzchni materiałów hydrofobowych. Z tego względu pierwszym krokiem w analizie właściwości powierzchniowych związków powierzchniowo czynnych jest opis zmian napięcia powierzchniowego wody w funkcji stężenia dodawanego surfaktantu. Napięcie powierzchniowe wodnych roztworów surfaktantów można wyznaczyć za pomocą jednej z poniższych metod:

• metoda stalagmometryczna (kroplowa) – w tej metodzie do wyznaczania napięcia powierzchniowego wykorzystuje się przyrząd zwany stalagmometrem zaopatrzony w zbiornik z badaną cieczą i grubościenną kapilarę zakończoną płasko oszlifowanym końcem, tzw. stopką stalagmometru, z której „wyciskane” są krople cieczy o znanej gęstości. Zasada pomiaru opiera się na wyznaczeniu masy kilku kropel „wyciśniętych” ze stopki stalagmometru. Przyjmuje się, że kropla odrywa się od zakończenia kapilary, gdy jej ciężar jest równy co do wartości iloczynowi napięcia powierzchniowego i promienia stopki stalagmometru. Stosując metodę porównawczą, można skorelować masę cieczy wzorcowej (o znanym napięciu powierzchniowym, np. wody) z masą cieczy badanej;
• metoda kapilarnego wzniesienia (rurek kapilarnych) – zasadą metody jest pomiar wysokości słupa badanej cieczy wypełniającej obustronnie otwartą rurkę kapilarną zanurzoną pionowo w naczyniu wypełnionym tą cieczą.
• metoda maksymalnego ciśnienia baniek (Rebindera) – w metodzie Rebindera wykorzystuje się fakt, iż napięcie powierzchniowe badanej cieczy jest proporcjonalne do minimalnego ciśnienia potrzebnego do „wypchnięcia” pęcherzyka powietrza z cienkiej kapilary zanurzonej w badanej cieczy. To minimalne ciśnienie jest równe różnicy poziomów cieczy w manometrze, który stanowi dodatkowe wyposażenie zestawu Rebindera;
• metoda odrywania pierścienia (tensjometryczna) – celem pomiaru jest wyznaczenie siły potrzebnej do oderwania platynowego pierścienia od powierzchni badanej cieczy. Zasada pomiaru opiera się na zanurzeniu pierścienia (zawieszonego na szalce odpowiednio wyskalowanej wagi) w badanej cieczy, a następnie powolnym wynurzaniu go do momentu oderwania od jej powierzchni z siłą równą co do wartości napięciu powierzchniowemu. Metoda tensjometryczna jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych metod wyznaczania napięcia powierzchniowego układów surfaktantowych;
• metoda odrywania płytki Wilhelmy’ego – zasada metody jest taka sama, jak w przypadku metody tensjometrycznej. Z tym, że platynowy pierścień zastąpiony jest metalową płytką o znanym obwodzie.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 2/2016 KWARTALNIKA "CHEMIA I BIZNES. RYNEK KOSMETYCZNY I CHEMII GOSPODARCZEJ". ZAPRASZAMY.

surfaktantyparametr HLBnapięcie powierzchniowe