Związki myjące – potencjał drażniący i sposoby jego obniżania

• Strona główna
• Artykuły
• Związki myjące – potencjał drażniący i sposoby jego obniżania

Data publikacji: 2015-06-25

Związki chemiczne o dwubiegunowej budowie, posiadające w cząsteczce dwa, różniące się polarnością ugrupowania nazywane są substancjami amfifilowymi. Podstawą klasyfikacji związków powierzchniowo czynnych jest ich zdolność do dysocjacji w wodzie. ZPC ulegające w wodzie dysocjacji elektrolitycznej zaliczane są do grupy surfaktantów jonowych. Jeśli w wyniku dysocjacji jonem wykazującym aktywność powierzchniową jest anion, wówczas związek klasyfikowany jest jako surfaktant anionowy. W przypadku, gdy aktywność powierzchniową wykazuje kation, związek taki zaliczany jest do grupy surfaktantów kationowych. ZPC, które nie ulegają w wodzie dysocjacji, a ich rozpuszczalność spowodowana jest tworzeniem wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody i atomem posiadającym wolną parę elektronową, zaliczane są do grupy surfaktantów niejonowych. Ostatnią grupę stanowią związki amfoteryczne. Wykazują one zdolność do dysocjacji w wodzie, lecz rodzaj powstającego jonu zależy od pH środowiska, w którym się znajdują. W środowisku kwaśnym powstają kationy, natomiast w zasadowym aniony. W roztworach o odczynie obojętnym dominuje forma jonów obojnaczych, zawierających w cząsteczce zarówno kation, jak i anion.

Wodne roztwory surfaktantów
Kosmetyki myjące i produkty chemii gospodarczej traktować można jako wodne roztwory surfaktantów z dodatkiem różnego rodzaju substancji mających na celu konserwację produktu, nadanie mu odpowiedniego zapachu, działania kondycjonującego na skórę, czy pożądanej lepkości.

W roztworach wodnych ZPC ulegają procesowi samoorganizacji, który wynika z ich natury amfifilowej. Jak wspomniano, dzięki dwubiegunowej budowie i obecności w cząsteczce dwóch różniących się polarnością fragmentów, ZPC wykazują aktywność powierzchniową. Dodane do wody ulegają migracji i adsorpcji na granicach faz, np. woda – powietrze. Na każdej granicy międzyfazowej występuje określona liczba centrów aktywnych, w których cząsteczki związków powierzchniowo czynnych mogą ulec adsorpcji. Wraz ze wzrostem stężenia surfaktantu w roztworze, po wysyceniu wszystkich centrów aktywnych, stężenie cząsteczek ZPC zaczyna zwiększać się w fazie objętościowej roztworu. Występują tam one w postaci pojedynczych cząsteczek, zwanych monomerami. Monomery ZPC w roztworze znajdują się w ciągłym ruchu. Dochodzi ponadto do ciągłej wymiany pomiędzy monomerami znajdującymi się w fazie objętościowej i zaadsorbowanymi na powierzchni. Ze względu na niekorzystne dla układu oddziaływanie cząsteczek wody z częściami hydrofobowymi monomerów znajdujących się w fazie objętościowej, układ dąży do przeorganizowania i zminimalizowania tych oddziaływań. Po osiągnięciu pewnego, charakterystycznego dla danego rodzaju surfaktantu stężenia, zwanego krytycznym stężeniem micelizacji (CMC), w roztworze powstają agregaty zwane micelami.

Za powstanie w fazie objętościowej miceli odpowiedzialny jest tzw. efekt hydrofobowy, którego siłą napędową są oddziaływania pomiędzy częściami hydrofobowymi związków powierzchniowo czynnych (zazwyczaj łańcuchy węglowodorowe) i cząsteczkami wody. Dążenie układu do zmniejszenia powierzchni kontaktu cząsteczek rozpuszczalnika z łańcuchami węglowodorowymi surfaktantów sprawia, że w roztworze powstają micele. Agregaty micelarne zbudowane są z cząsteczek ZPC, które usytuowane są w taki sposób, że skierowane w swoją stronę części hydrofobowe tworzą bezwodne wnętrze miceli, natomiast części hydrofilowe skierowane są w stronę wody i ochraniają hydrofobowy rdzeń agregatu przed kontaktem z rozpuszczalnikiem. Po przekroczeniu CMC osiągany jest więc stan termodynamicznie dla układu korzystny, w którym kontakt wody z częściami hydrofobowymi jest ograniczony. Średnia liczba cząsteczek ZPC, które mogą budować micelę (tzw. liczba agregacji) jest wielkością charakterystyczną dla danego rodzaju surfaktantu i wynosi od około 50 do około 200. Agregaty micelarne nie są układami termodynamicznie stabilnymi i w roztworze dochodzi do ciągłej wymiany cząsteczek między micelami, a także do ciągłego rozpadu powstałych agregatów. Po przekroczeniu CMC w roztworze ustala się stan równowagi pomiędzy cząsteczkami związków powierzchniowo czynnych w postaci monomerów, a cząsteczkami w agregatach micelarnych.

W zależności od rodzaju, budowy i stężenia związku powierzchniowo czynnego kształt i rozmiar powstających w roztworze miceli może być różny. W wodnych roztworach surfaktantów anionowych, po przekroczeniu CMC, powstają zazwyczaj micele kuliste o stosunkowo małych rozmiarach lub micele spłaszczone. Pomiędzy micelami wytworzonymi przez surfaktanty jonowe występują siły wzajemnego, elektrostatycznego odpychania. Odpowiada za to tzw. potencjał zeta, który nadaje wszystkim micelom w roztworze jednoimienny ładunek. Jednakowo naładowane agregaty micelarne nie mogą zbliżać się na bliskie odległości i łączyć ze sobą w duże micele. Siły odpychania występują nie tylko w obrębie różnych miceli, ale też pomiędzy hydrofilowymi częściami ZPC w jednym agregacie. Oddziaływanie to uniemożliwia wnikanie do jednej miceli dużej liczby molekuł ZPC (stąd stała jest wartość liczby agregacji) oraz odpowiada za ciągłe rozpady wytworzonych agregatów. Osiągnięty w roztworze stan równowagi umożliwia jedynie wymianę cząsteczek surfaktantów między różnymi micelami, a także micelami i monomerami obecnymi w fazie objętościowej. W momencie rozpadu miceli, w jej miejsce natychmiast powstaje nowy agregat. W przypadku surfaktantów niejonowych za odpychanie powstających miceli odpowiedzialny jest tzw. efekt steryczny, czyli bariera przestrzenna uniemożliwiająca zbliżanie się do siebie agregatów na bliskie odległości. Kosmetyki myjące i produkty chemii gospodarczej to zazwyczaj układy stanowiące roztwory różnych rodzajów ZPC. W roztworach takich powstają micele mieszane, o większych rozmiarach i stabilności, za odpychanie których odpowiada zarówno obecność potencjału zeta, jak i oddziaływania steryczne.

Zwiększanie stężenia ZPC powyżej krytycznego stężenia micelizacji skutkuje stopniową zmianą ładunku poszczególnych agregatów. Siły wzajemnego odpychania dla różnie naładowanych miceli zaczynają stopniowo zanikać. Micele mogą łączyć się, co pociąga za sobą przyrost liczby agregacji i znaczący wzrost ich rozmiaru. Ponieważ układ dąży do osiągnięcia jak najmniejszej powierzchni agregatów, przy wysokim stężeniu ZPC ulega samoprzeorganizowaniu. Duże micele kuliste ulegają zmianie w micele cylindryczne, a następnie fazy lamelarne, które charakteryzują się mniejszą powierzchnią w porównaniu z dużymi micelami sferycznymi. Analogiczną sytuację można wywołać poprzez wprowadzenie do układu elektrolitu, np. stosowanego jako modyfikator lepkości kosmetyków i produktów chemii gospodarczej chlorku sodu. Dodatek soli nie tylko obniża CMC (micele powstają przy niższych stężeniach), ale też poprzez zmianę potencjału zeta prowadzi do zmian w kształcie miceli (micele kuliste > micele cylindryczne > fazy lamelarne). Zjawisko to wykorzystywane jest w procesie kształtowania lepkości produktów. Powstanie miceli cylindrycznych w roztworze skutkuje wzrostem jego lepkości.

Potencjał drażniący roztworów surfaktantów i sposoby jego obniżania
Działanie drażniące związków powierzchniowo czynnych wynika przede wszystkim z właściwości fizykochemicznych ich wodnych roztworów, przy czym kluczową rolę odgrywa tu forma w jakiej surfaktanty występują w roztworze.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 2/2015 KWARTALNIKA "CHEMIA I BIZNES. RYNEK KOSMETYCZNY I CHEMII GOSPODARCZEJ". ZAPRASZAMY.

przemysł kosmetycznydetergentychemia gospodarczasurfaktantyśrodki powierzchniowo czynnekosmetyki