Поверхностно-активные вещества — это химические соединения , которые уменьшают поверхностное натяжение или межфазное натяжение между двумя жидкостями , жидкостью и газом или жидкостью и твердым телом . Слово «ПАВ» представляет собой смесь поверхностно - активных веществ , [1] введенных в обиход в 1950 году . [2] Поскольку они состоят из водоотталкивающей и водопритягивающей частей , они позволяют смешивать воду и масло; они могут образовывать пену и облегчать отрыв грязи.
Поверхностно-активные вещества являются одними из самых распространенных и коммерчески важных химических веществ. Частные домохозяйства, а также многие отрасли промышленности используют их в больших количествах в качестве моющих и чистящих средств , а также, например, в качестве эмульгаторов , смачивающих агентов, пенообразователей , антистатических добавок или диспергаторов .
Поверхностно-активные вещества встречаются в природе в традиционных моющих средствах на растительной основе, например, в конских каштанах или мыльных орехах ; их также можно найти в выделениях некоторых гусениц. Сегодня одно из наиболее часто используемых анионных поверхностно-активных веществ, линейные алкилбензолсульфаты (ЛАС), производятся из нефтепродуктов . Однако поверхностно-активные вещества все чаще производятся полностью или частично из возобновляемой биомассы , такой как сахар, жирный спирт из растительных масел, побочные продукты производства биотоплива или другие биогенные материалы. [3]
Большинство поверхностно-активных веществ представляют собой органические соединения с гидрофильными «головами» и гидрофобными «хвостами». «Головы» поверхностно-активных веществ полярны и могут нести или не нести электрический заряд. «Хвосты» большинства поверхностно-активных веществ довольно похожи, состоящие из углеводородной цепи, которая может быть разветвленной, линейной или ароматической. Фторированные поверхностно-активные вещества имеют фторуглеродные цепи. Силоксановые поверхностно-активные вещества имеют силоксановые цепи.
Многие важные поверхностно-активные вещества включают полиэфирную цепь, заканчивающуюся высокополярной анионной группой. Полиэфирные группы часто включают этоксилированные ( полиэтиленоксидные ) последовательности, вставленные для увеличения гидрофильности поверхностно-активного вещества. Полипропиленоксиды, наоборот, могут быть вставлены для увеличения липофильности поверхностно-активного вещества.
Молекулы поверхностно-активных веществ имеют либо один, либо два хвоста; те, у которых два хвоста, называются двухцепочечными . [4]
Чаще всего поверхностно-активные вещества классифицируются по полярной головной группе. Неионогенное поверхностно-активное вещество не имеет заряженных групп в своей головке. Головка ионогенного поверхностно-активного вещества несет чистый положительный или отрицательный заряд. Если заряд отрицательный, поверхностно-активное вещество более конкретно называется анионным ; если заряд положительный, оно называется катионным . Если поверхностно-активное вещество содержит головку с двумя противоположно заряженными группами, оно называется цвиттер-ионным или амфотерным . Обычно встречающиеся поверхностно-активные вещества каждого типа включают:
Анионные поверхностно-активные вещества содержат анионные функциональные группы в головной части, такие как сульфат , сульфонат , фосфат и карбоксилаты . Известные алкилсульфаты включают лаурилсульфат аммония , лаурилсульфат натрия (додецилсульфат натрия, SLS или SDS) и родственные алкилэфирсульфаты лауретсульфат натрия (лаурилэфирсульфат натрия или SLES) и миретсульфат натрия .
Другие включают в себя:
Карбоксилаты являются наиболее распространенными поверхностно-активными веществами и включают карбоксилатные соли (мыла), такие как стеарат натрия . Более специализированные виды включают лауроилсаркозинат натрия и фторированные поверхностно-активные вещества на основе карбоксилатов, такие как перфторнонаноат , перфтороктаноат (PFOA или PFO).
Первичные, вторичные или третичные амины , зависящие от pH ; первичные и вторичные амины становятся положительно заряженными при pH < 10: [5] октенидина дигидрохлорид .
Постоянно заряженные четвертичные аммониевые соли : бромид цетримония (CTAB), хлорид цетилпиридиния (CPC), хлорид бензалкония (BAC), хлорид бензетония (BZT), хлорид диметилдиоктадециламмония и бромид диоктадецилдиметиламмония (DODAB).
Цвиттерионные ( амфолитные ) поверхностно-активные вещества имеют как катионные, так и анионные центры, прикрепленные к одной и той же молекуле. Катионная часть основана на первичных, вторичных или третичных аминах или четвертичных аммониевых катионах. Анионная часть может быть более изменчивой и включать сульфонаты, как в сультаинах CHAPS (3-[(3-холамидопропил)диметиламмонио]-1-пропансульфонат) и кокамидопропилгидроксисультаин . Бетаины , такие как кокамидопропилбетаин, имеют карбоксилат с аммонием. Наиболее распространенные биологические цвиттерионные поверхностно-активные вещества имеют фосфатный анион с амином или аммонием, такие как фосфолипиды фосфатидилсерин , фосфатидилэтаноламин , фосфатидилхолин и сфингомиелины .
Оксид лаурилдиметиламина и оксид миристамина — два широко используемых цвиттер-ионных поверхностно-активных вещества структурного типа оксидов третичных аминов .
Неионные поверхностно-активные вещества имеют ковалентно связанные кислородсодержащие гидрофильные группы, которые связаны с гидрофобными родительскими структурами. Растворимость кислородных групп в воде является результатом водородных связей . Водородные связи уменьшаются с повышением температуры, и поэтому растворимость в воде неионных поверхностно-активных веществ уменьшается с повышением температуры.
Неионогенные поверхностно-активные вещества менее чувствительны к жесткости воды, чем анионные поверхностно-активные вещества, и они пенятся слабее. Различия между отдельными типами неионогенных поверхностно-активных веществ незначительны, и выбор в первую очередь определяется с учетом стоимости специальных свойств (например, эффективности и экономичности, токсичности, дерматологической совместимости, биоразлагаемости ) или разрешения на использование в пищевых продуктах. [6]
Этоксилаты жирных кислот представляют собой класс очень универсальных поверхностно-активных веществ, которые объединяют в одной молекуле характеристики слабоанионной, чувствительной к pH головной группы с наличием стабилизирующих и чувствительных к температуре этиленоксидных единиц. [7]
Пролеты :
Поверхностно-активные вещества обычно представляют собой органические соединения , родственные амфифильным , что означает, что эта молекула, будучи двойным агентом, содержит гидрофильную «водо-ищущую» группу ( голову ) и гидрофобную «водоизбегающую» группу ( хвост ). [9] В результате поверхностно-активное вещество содержит как водорастворимый компонент, так и водонерастворимый компонент. Поверхностно-активные вещества диффундируют в воде и адсорбируются на границах раздела между воздухом и водой или на границе раздела между маслом и водой в случае, когда вода смешивается с маслом. Водонерастворимая гидрофобная группа может распространяться из объемной водной фазы в неводную фазу, такую как воздушная или масляная фаза, в то время как водорастворимая головная группа остается связанной в водной фазе.
Гидрофобный хвост может быть либо липофильным («ищущим масло»), либо липофобным («избегающим масло») в зависимости от его химии. Углеводородные группы обычно липофильны, для использования в мыле и моющих средствах, в то время как фторуглеродные группы липофобны, для использования в отталкивании пятен или снижении поверхностного натяжения.
Мировое производство поверхностно-активных веществ оценивается в 15 миллионов тонн в год, из которых около половины — мыла . Другие поверхностно-активные вещества, производимые в особенно больших масштабах, — это линейные алкилбензолсульфонаты (1,7 миллиона тонн в год), лигнсульфонаты (600 000 тонн в год), этоксилаты жирных спиртов (700 000 тонн в год) и этоксилаты алкилфенолов (500 000 тонн в год). [6]
В объемной водной фазе поверхностно-активные вещества образуют агрегаты, такие как мицеллы , где гидрофобные хвосты образуют ядро агрегата, а гидрофильные головки контактируют с окружающей жидкостью. Могут также образовываться 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 в размере между гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Мерой этого является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение воды, адсорбируясь на границе раздела жидкость-воздух. Соотношение, связывающее поверхностное натяжение и поверхностный избыток, известно как изотерма Гиббса .
Динамика адсорбции поверхностно-активного вещества имеет большое значение для практических приложений, таких как процессы вспенивания, эмульгирования или нанесения покрытий, где пузырьки или капли быстро образуются и должны быть стабилизированы. Динамика абсорбции зависит от коэффициента диффузии поверхностно-активного вещества. По мере создания интерфейса адсорбция ограничивается диффузией поверхностно-активного вещества к интерфейсу. В некоторых случаях может существовать энергетический барьер для адсорбции или десорбции поверхностно-активного вещества. Если такой барьер ограничивает скорость адсорбции, говорят, что динамика «кинетически ограничена». Такие энергетические барьеры могут быть вызваны стерическим или электростатическим отталкиванием . Поверхностная реология слоев поверхностно-активного вещества, включая эластичность и вязкость слоя, играют важную роль в стабильности пен и эмульсий.
Межфазное и поверхностное натяжение можно охарактеризовать классическими методами, такими как метод кулон или вращающейся капли . Динамические поверхностные натяжения, т.е. поверхностное натяжение как функция времени, можно получить с помощью аппарата максимального давления пузырьков
Структуру слоев поверхностно-активных веществ можно изучать методами эллипсометрии или рентгеновской рефлектометрии .
Реологию поверхности можно охарактеризовать с помощью метода колеблющейся капли или реометров сдвига поверхности, таких как реометры с двойным конусом, двойным кольцом или магнитным стержнем.
Поверхностно-активные вещества играют важную роль в качестве очищающих, смачивающих , диспергирующих , эмульгирующих , пенообразующих и антивспенивающих агентов во многих практических приложениях и продуктах, включая моющие средства , кондиционеры для белья , моторные масла , эмульсии , мыла , краски , клеи , чернила , противотуманные средства , лыжные воски , воск для сноубордов, очистку переработанной бумаги от краски, во флотационных, моющих и ферментативных процессах и слабительных . Также агрохимические составы, такие как гербициды (некоторые), инсектициды , биоциды (дезинфицирующие средства) и спермициды ( ноноксинол-9 ). [10] Средства личной гигиены, такие как косметика , шампуни , гели для душа , кондиционеры для волос и зубные пасты . Поверхностно-активные вещества используются в пожаротушении (для создания «мокрой воды», которая быстрее впитывается в горючие материалы [11] [12] ) и трубопроводах (вещества, снижающие сопротивление жидкости). Щелочные поверхностно-активные полимеры используются для мобилизации нефти в нефтяных скважинах .
Поверхностно-активные вещества вытесняют воздух из матрицы ватных дисков и бинтов, чтобы лекарственные растворы могли быть поглощены для нанесения на различные участки тела. Они также вытесняют грязь и мусор при использовании моющих средств при промывании ран [13] и при нанесении лекарственных лосьонов и спреев на поверхность кожи и слизистых оболочек. [14] Поверхностно-активные вещества усиливают рекультивацию посредством промывания почвы, биоремедиации и фиторемедиации. [15]
В растворе детергенты помогают растворять различные химические вещества, диссоциируя агрегаты и разворачивая белки. Популярными поверхностно-активными веществами в биохимической лаборатории являются лаурилсульфат натрия (SDS) и цетилтриметиламмонийбромид (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 растворяют белки. Более мягкие детергенты, такие как октилтиоглюкозид , октилглюкозид или додецилмальтозид, используются для растворения мембранных белков, таких как ферменты и рецепторы , без их денатурации . Нерастворенный материал собирают центрифугированием или другими способами. Например, для электрофореза белки классически обрабатываются SDS для денатурации нативных третичных и четвертичных структур , что позволяет разделять белки в соответствии с их молекулярной массой .
Детергенты также использовались для децеллюляризации органов. Этот процесс поддерживает матрицу белков, которая сохраняет структуру органа и часто микрососудистую сеть. Этот процесс успешно использовался для подготовки органов, таких как печень и сердце, к трансплантации у крыс. [16] Легочные сурфактанты также естественным образом секретируются клетками II типа легочных альвеол у млекопитающих .
Поверхностно-активные вещества используются с квантовыми точками для управления их ростом, [17] сборкой и электрическими свойствами, а также для посредничества реакций на их поверхностях. Продолжаются исследования того, как поверхностно-активные вещества располагаются на поверхности квантовых точек. [18]
Поверхностно-активные вещества играют важную роль в микрофлюидике на основе капель , стабилизируя капли и предотвращая слияние капель во время инкубации. [19]
Материал типа Януса используется как поверхностно-активный гетерогенный катализатор для синтеза адипиновой кислоты. [20]
Агенты, увеличивающие поверхностное натяжение, являются «поверхностно-активными» в буквальном смысле, но не называются поверхностно-активными веществами, поскольку их действие противоположно общепринятому значению. Распространенным примером увеличения поверхностного натяжения является высаливание : добавление неорганической соли к водному раствору слабополярного вещества приведет к выпадению этого вещества в осадок. Вещество само по себе может быть поверхностно-активным веществом, что является одной из причин, по которой многие поверхностно-активные вещества неэффективны в морской воде.
Человеческое тело вырабатывает различные поверхностно-активные вещества. Легочный сурфактант вырабатывается в легких для облегчения дыхания путем увеличения общей емкости легких и податливости легких . При респираторном дистресс-синдроме или РДС заместительная терапия сурфактантом помогает пациентам нормально дышать, используя фармацевтические формы сурфактантов. Одним из примеров фармацевтического легочного сурфактанта является Survanta ( берактант ) или его дженерик Beraksurf, производимые компаниями Abbvie и Tekzima соответственно. Желчные соли , поверхностно-активное вещество, вырабатываемое в печени, играют важную роль в пищеварении. [21]
Большинство анионных и неионных поверхностно-активных веществ нетоксичны, их LD50 сопоставима с поваренной солью . Токсичность четвертичных аммониевых соединений , которые являются антибактериальными и противогрибковыми , варьируется. Диалкилдиметиламмонийхлориды ( DDAC , DSDMAC ), используемые в качестве кондиционеров для белья, имеют высокую LD50 (5 г/кг) и по существу нетоксичны, в то время как дезинфицирующее средство алкилбензилдиметиламмонийхлорид имеет LD50 0,35 г/кг. Длительное воздействие поверхностно-активных веществ может раздражать и повреждать кожу, поскольку поверхностно-активные вещества разрушают липидную мембрану , которая защищает кожу и другие клетки. Раздражение кожи обычно увеличивается в ряду неионных, амфотерных, анионных, катионных поверхностно-активных веществ. [6]
Поверхностно-активные вещества регулярно попадают на землю и в водные системы различными способами, будь то в ходе предполагаемого процесса или в виде промышленных и бытовых отходов. [22] [23] [24]
Анионные поверхностно-активные вещества могут быть обнаружены в почвах в результате применения осадка сточных вод , орошения сточными водами и процессов рекультивации. Относительно высокие концентрации поверхностно-активных веществ вместе с полиметаллами могут представлять экологический риск. При низких концентрациях применение поверхностно-активных веществ вряд ли окажет значительное влияние на подвижность следовых металлов. [25] [26]
В случае разлива нефти Deepwater Horizon беспрецедентные количества Corexit были распылены непосредственно в океан в месте утечки и на поверхности морской воды. Очевидная теория заключалась в том, что поверхностно-активные вещества изолируют капли нефти, облегчая ее переваривание микробами, потребляющими нефть. Активным ингредиентом Corexit является диоктилсульфосукцинат натрия (DOSS), сорбитанмоноолеат (Span 80) и полиоксиэтиленированный сорбитанмоноолеат ( Tween-80 ). [27] [28]
Из-за объема поверхностно-активных веществ, выбрасываемых в окружающую среду, например, стиральных порошков в воду, их биодеградация представляет большой интерес. Большое внимание привлекает небиоразлагаемость и чрезвычайная стойкость фтороПАВ , например, перфтороктановой кислоты (ПФОК). [29] Стратегии по усилению деградации включают обработку озоном и биодеградацию. [30] [31] Два основных поверхностно-активных вещества, линейные алкилбензолсульфонаты (ЛАС) и алкилфенолэтоксилаты (АПЭ) , распадаются в аэробных условиях, обнаруженных на очистных сооружениях и в почве, на нонилфенол , который, как полагают, является эндокринным разрушителем . [32] [33] Интерес к биоразлагаемым поверхностно-активным веществам привел к большому интересу к «биоПАВ», таким как полученные из аминокислот. [34] Биооснованные поверхностно-активные вещества могут обеспечить улучшенную биодеградацию. Однако то, повреждают ли поверхностно-активные вещества клетки рыб или вызывают образование пенных гор в водоемах, зависит в первую очередь от их химической структуры, а не от того, был ли изначально использован углерод из ископаемых источников, углекислого газа или биомассы. [3]
. Архивировано изоригинала 8 января 2017 г.
Поверхностно-активное вещество (сокращение от surf ace- active a gent ) — это вещество, которое при низкой концентрации в системе обладает свойством адсорбироваться на поверхностях или интерфейсах системы и изменять в значительной степени поверхностную или межфазную свободную энергию этих поверхностей (или интерфейсов).