مواد فعال سطحی  (Surface active chemical )

مواد فعال سطحی که با نام کلی سورفکتانت شناخته می شوند، نوعی ترکیبات شیمیایی هستند که قادر به حداقل رساندن کشش سطحی بین دو ماده یا دو سطح غیر قابل اختلاط می باشند. سورفکتانت ها  در واقع ترکیباتی هستند که کشش سطحی را بین دو مایع یا بین گاز و مایع یا بین مایع و جامد کاهش می دهند. سورفکتانت ها می توانند به عنوان مواد شوینده، عوامل مرطوب کننده، امولسیفایرها، عوامل کف کننده یا پخش کننده مورد استفاده قرار گیرند.

کشش سطحی[1] چیست؟

 کشش سطحی ویژگی فیزیکی یک مایع است که به آن اجازه می دهد در برابر هر نیروی خارجی مقاومت نماید. کشش سطحی در واقع نیرویی است که باعث می‌شود یک سطح به کوچک‌ترین حد ممکن و پایین ترین سطح انرژی برسد. به عنوان مثال آب کشش سطحی  بالایی  دارد و این خاصیت موجب می شود که سطح آب مانند یک محافظ عمل کرده و اجازه ورود مواد با ملکول های دیگر را به آن ندهد. در مقابل مواد فعال سطحی که کشش سطحی پایینی دارند و می توانند به داخل مولکول های آب نفوذ نمایند. این خاصیت سورفکتانت ها، آنها را به گستره وسیعی از کاربری در صنایع مختلف وارد کرده است.

ساختار سورفکتانت ها

سورفکتانت ها موادی با ساختار مولکولی هستند که به آنها آمفی فیلیک (دوگانه دوست) گفته می شود. این مواد  از یک بخش آب دوست (هیدروفیل) و یک بخش آبگریز یا چربی دوست (هیدروفوب) تشکیل شده اند. بخش آبگریز معمولاً یک گروه آلی است، در حالی که بخش آبدوست از گروه های یونی یا به شدت قطبی، به عنوان مثال، گروه های اتر پلی گلیکول تشکیل شده است. در نتیجه، یک سورفکتانت دارای یک جزء محلول در آب و یک جزء نامحلول در آب (محلول در چربی) است. به این دو بخش سورفکتانت ها اصلاحا سر آبدوست و دم آبگریز گفته می شود. سورفکتانت ها در آب پراکنده شده و در سطح مشترک هوا / آب یا چربی / آب جذب می شوند. گروه آبگریز نامحلول در آب ممکن است از فاز آبی به فاز غیرآبی مانند فاز هوا یا روغن گسترش یابد، در حالی که گروه محلول در آب در فاز آب باقی می ماند.

کاربرد سورفکتانت ها

انواع مختلفی از سورفکتانت ها در پاک کننده های صورت، صابون ها، شوینده های بدن، شامپوها و امولسیون ها یافت می شوند. سورفکتانت ها از پرکاربردترین مواد در مراقبت از پوست هستند که نقش های متعددی در فرمولاسیون های محصولات آرایشی  بهداشتی ایفا می کنند. آنها می توانند به عنوان شوینده برای پاکسازی، ایجاد رطوبت، برای پراکندگی بهتر، برای تولید محصولات فوم دار، امولسیفایر برای ایجاد مخلوط های پایدار از روغن و آب، عوامل حالت دهنده برای بهبود ظاهر مو و پوست، برای کمک به مخلوط کردن عطرها و روغن های ضروری مورد استفاده قرار گیرند.

استفاده از سورفکتانت ها به عنوان شوینده یا دترجنت از مهمترین و پرکاربرد ترین موارد کاربری این ترکیبات است. شوینده نوعی ماده فعال سطحی است که دارای خاصیت پاک کنندگی بوده و قابلیت حذف آلودگی از روی سطوح را دارد. انواع مختلفی از سورفکتانت‌ها به عنوان شوینده، عملکرد وسیعی در صنایع مختلف دارند.

شکل رایج دیگری از سورفکتانت ها که در صنایع به کار می روند، امولسیفایرها هستند. که اغلب به عنوان عامل امولسیون کننده نیز شناخته می شود. سورفکتانت ها به عنوان محصولات امولسیون کننده در صنایع برای اختلاط بهتر محصولات استفاده می شوند. آنها به عنوان یک عامل امولسیون کننده، این قابلیت را دارند که یک مایع را در مایع دیگر پخش کند، که معمولاً به خوبی با مایع اول مخلوط نمی شود.

انواع سورفکتانت ها

سورفکتانت ها به طور کلی به دو دسته سورفکتانت های یونی و غیر یونی طبقه بندی می شوند. سورفکتانت های یونی آنهایی هستند که دارای دم آلی (چربی دوست / آب گریز) با سر باردار مثبت یا منفی هستند. به آنهایی که بار مثبت روی سر دارند، سورفکتانتهای کاتیونی و آنهایی که بار منفی دارند سورفکتانتهای آنیونی گفته می شود. سورفکتانت هایی که هیچ باری روی سطحشان نیست به عنوان سورفکتانت های غیر یونی (آمفوتریک) معرفی می شوند. نوع آنیونی سورفکتانت ها خاصیت پاک‌کنندگی و شویندگی عالی داشته، پرکاربردترین نوع سورفکتانت ها در صنعت تولید مواد شوینده، چربی زداها، مایع ظرف‌شویی و… به حساب می آیند. آمونیوم لوریل سولفات، سدیم لوریل سولفات، دی سدیم لورت سولفوسوکسینات، سدیم لوریل اتر سولفات، آلکیل بنزن سولفونیک اسید، دودسیل بنزن سولفونات، پرفلوئورواکتان سولفونات… ازجمله سورفکتانت های آنیونی  هستند.

سورفکتانت های کاتیونی دارای بار مثبت روی بخش آبدوست خود هستند و خاصیت میکروب کشی بالا و شویندگی پایینی دارند. به همین دلیل از این مواد در فرمولاسیون بایوسایدها و ضدعفونی کننده ها نظیر قارچ کش ها و ضد باکتری ها استفاده می شود. این مواد همچنین در تولید بایودیسپرسانت ها نیز استفاده گسترده ای دارند. ترکیبات آمونیوم چهارتایی جایگزین شده با آلکیل یا آریل به عنوان مثال، کلرید بنزالکونیوم، کلرید بنزتونیم، کلرید ستیل پیریدینیوم، برمید ستیل تری متیل آمونیو، مثال هایی از سورفکتانت های کاتیونی هستند.

علاوه بر این، بار مثبت سورفکتانت های کاتیونی، آنها را در تولید محصولات ضد الکتریسیته ساکن مانند  نرم کننده های پارچه بسیار کاربردی کرده است.

سورفکتانت های غیر یونی – اتوکسیلات ها

سورفکتانت های غیر یونی طی فرآیندهای صنعتی با انجام اتوکسیلاسیون سنتز می شوند. روشی که در آن از واکنش بین اکسید اتیلن با اسیدهای چرب، الکل ها و فنل ها برای تولید سورفکتانت های اتوکسیله استفاده می شود. اتوکسیلات‌های الکل چرب، اتوکسیلات‌های اسیدهای چرب، اتوکسیلات‌های آمین‌ چرب، آلکیل فنل‌های پلی اکسی اتیلن شده،… با این روش تهیه می شوند. این سورفکتانت های غیر یونی دارای مزایای ارزشمندی در کاربردهایی نظیر فرآیندهای تکمیل و شستشوی منسوجات، شستشوی خانگی و صنعتی، تهیه حشره کش ها در کشاورزی، به عنوان روان کننده ها، عامل پوشش در صنعت خودرو و …  استفاده می شوند. سورفکتانت های غیریونی شامل دسته مهمی از مواد تحت عنوان امولسیفایر هستند.

امولسیفایرها

به مخلوط دو یا چند مایع که با یکدیگر قابل اختلاط نبوده و درکنار هم تشکیل فازهای مجزا می دهند امولسیون گفته می شود. به طور کلی امولسیون ها به دو دسته کلی امولسیون های پایه آبی ( پراکندگی ذرات روغن در فاز آبی) و امولسیون های پایه روغنی (پراکندگی ذرات آبی در فاز روغن) تقسیم می شوند. امولسیون ها در شرایط خاص و  با استفاده از موادی که به مخلوط شدن آنها کمک می کنند، قابل اختلاط و پایدارخواهند شد. به این مواد کمک کننده امولسیفایر گفته می شود. امولسیفایر ها در واقع باعث پایداری امولسیون شده و از طریق ایجاد لایه ای نازک اطراف ذرات و کاهش کشش سطحی از به هم پیوستن مجدد آنها و دوفازی شدن جلوگیری می کنند. با توجه به عملکرد و ساختار مشابه امواسیفایر و سورفکتانت، این دو واژه معادل یکدیگر استفاده می شوند اما تفاوت هایی جزیی این دو ماده را از یکدیگر متمایز می کند. در واقع می توان امولسیفایرها را دسته مهمی از سورفکتانت در نظر گرفت. سورفکتانت ها به هر ماده ای گفته می شود که به طور کلی کاهش دهنده کشش سطحی بین دو فاز است و امولسیفایر ها  موادی هستند برای همگن کردن و پایداری دو فاز غیر قابل اختلاط به کار می روند. در صنایع تولید مواد غذایی، بیشتر از واژه امولسیفایر و در صنایع آب و نفت بیشتر از اصطلاح سورفکتانت استفاده می‌کنند.

اساس انتخاب امولسیفایرها

در نظر گرفتن تعادل هیدروفیلی- لیپوفیلی (HLB)^[2] یک امولسیفایر یا ترکیبی از امولسیفایرها، یکی از پارامترهای مهم در انتخاب درست امولسیفایر مطابق با نوع عملکرد آن محسوب می شود. تعادل هیدروفیلی/ لیپوفیلی یک سورفکتانت، که  توسط گریفین در سال 1949 ارائه گردید، معیاری از درجه آب دوستی یا چربی دوستی آن است که با محاسبه درصد وزن مولکولی بخش های آبدوست و چربی دوست مولکول سورفکتانت تعیین می شود. هر چقدر مقدار HLB پایین تر باشد خصلت آبگریزی (چربی دوستی) امولسیفابر بالاتر رفته و تمایل به انحلال در فاز روغنی افزایش می یابد. و هر چه HLB بالاتر باشد، خصلت آبدوستی (چربی گریزی) امولسیفایر بالاتر خواهد بود و انحلالپذیری در فاز آبی بیشتر خواهد شد. بنابراین بسته به کاربری امولسیفایر می توان نوع آن را انتخاب کرد. در واقع مقدار HLB برای یک سورفکتانت، معیاری نسبی برای بیان انحلالپذیری آن سورفکتانت در آب یا روغن است.

جدول زیر محدوده HLB مورد نیاز  برای کاربردهای مختلف را نشان می دهد:

 در بسیاری موارد، ترکیب امولسیفایرها تاثیر زیادی در تهیه امولسیون پایدار و افزایش کارآیی خواهد داشت. این کار منجر به تولید ماهیت هیپوفیلی / لیپوفیلی مناسب شده، فیلم یا لایه ای پایدار بین دو فاز مختلط شده ایجاد می نماید و در نهایت منجر به پایداری محصول تولیدی خواهد شد.

[1] Surface Tension

[2]Hydrophilic–lipophilic balance