Nonionisch, Anionisch, Kationisch, Amfoteer Surfactanten: Soorten en toepassingen

Surfactanten, een bijnaam voor “oppervlakteactieve stoffen”, zoals bedacht door Antara Products in de jaren 1950, zijn een type molecuul dat zowel een waterminnend (hydrofiel) als een waterafstotend (hydrofoob) deel bevat. Deze unieke structuur is de reden waarom oppervlakte-actieve stoffen belangrijke spelers zijn in een verscheidenheid van industriële en commerciële toepassingen, waaronder agrochemische, huishoudelijke en persoonlijke verzorging, industriële en institutionele (I&I), olie en gas, en verf/coatings.

Typen oppervlakte-actieve stoffen

Dus, hoe werken oppervlakte-actieve stoffen? Sommige oppervlakte-actieve stoffen hebben een elektrische lading op hun hydrofiele (waterminnende) gedeelte, en op basis van de identiteit van de elektrische lading(en) – of het ontbreken daarvan – worden oppervlakte-actieve stoffen ingedeeld in een van de vier hoofdklassen, waaronder:

1. nonionisch (geen lading)
2. anionisch (negatieve lading)
3. kationisch (positieve lading)
4. amphoterisch (bevatten zowel een positieve als een negatieve lading)

Het type oppervlakte-actieve stof dat voor een bepaalde toepassing wordt gekozen, hangt sterk af van de inherente oplossingseigenschappen en het beoogde eindgebruik. Veel van deze verbindingen bieden uitzonderlijke eigenschappen aan een formulering voor een specifieke markt, waaronder laagschuimende reinigingsmiddelen, snelbevochtigende eigenschappen, in water oplosbare verbindingen, en emulgering voor in water onoplosbare verbindingen.
Het kiezen van de juiste oppervlakte-actieve stof voor uw eindgebruik toepassing is een ontmoedigende taak, maar als je eenmaal de verschillen tussen de vier soorten oppervlakte-actieve stoffen volledig begrijpt en hoe elke oppervlakte-actieve stof werkt, wordt de taak van het kiezen van de juiste molecule(s) veel eenvoudiger. Laten we daarom eens in de vier klassen van oppervlakteactieve stoffen duiken en bespreken wat elk type uniek anders maakt.

Wat is een niet-ionogene oppervlakteactieve stof?

Nonionogene oppervlakteactieve stoffen zijn een van de meer gebruikte oppervlakteactieve stoffen in de industrie, dus laten we de eenvoudige vraag stellen ‘wat is een niet-ionogene oppervlakteactieve stof’?

Een niet-ionogene oppervlakte-actieve stof is een type oppervlakte-actieve stof dat geen lading draagt op zijn hydrofiele kopgroep en daardoor milder van aard is. Vanwege de mildheid van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen worden ze vaak gebruikt in huishoudelijke en persoonlijke verzorging, en in de agrochemische industrie.

Daarnaast draagt het gebrek aan lading bij aan het vermogen van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen om gemakkelijk oliën te emulgeren, waardoor ze een geweldige speler zijn bij het verwijderen van vet en olie van vervuilde oppervlakken. Hoewel deze klasse van oppervlakte-actieve stoffen gewoonlijk wordt geassocieerd met reinigingsproducten voor thuis of in een industriële omgeving, worden zij ook op andere gebieden veel gebruikt. Niet-ionogene oppervlakte-actieve stoffen worden vaak gebruikt in de markten voor huishoudelijke, schoonheids- en persoonlijke verzorgingsproducten, zoals shampoos (om te helpen emulgeren), parfums (als oplosmiddelen), cosmetica (om pigmenten in make-up te helpen dispergeren) en om te helpen bij het emulgeren van oliën voor huidverzorgingsproducten.

Nonionogene oppervlakte-actieve stoffen zijn niet beperkt tot de markten voor huishoudelijke en persoonlijke verzorging; zo worden in de sector oppervlakte-actieve stoffen voor de landbouw niet-ionogene oppervlakte-actieve stoffen gebruikt om de landbouwers te helpen, aangezien deze verbindingen worden gebruikt in formuleringen van bestrijdingsmiddelen en hulpstoffen om de verspreiding, bevochtiging, kleverigheid en penetratie van het bestrijdingsmiddel door het oppervlak van het blad te vergroten. Ook bij de raffinage en verwerking van olie en gas in de aardolie-industrie wordt gebruik gemaakt van niet-ionogene oppervlakte-actieve stoffen. Zo worden niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen gebruikt als corrosieremmer in olie en gas voor oppervlakken die in contact komen met de aardolieproducten, alsook als vloei-terugstroomhulpmiddelen om de stroom van koolwaterstoffen te helpen verbeteren. Door hun oppervlaktechemie worden niet-ionogene oppervlakte-actieve stoffen ook veel gebruikt in coatingtoepassingen, zoals emulgatoren voor latexverven en nivelleermiddelen voor acrylcoatings.

Lijst van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen

Veel voorkomende voorbeelden van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen zijn geëthoxyleerde en gealkoxyleerde vetzuren, geëthoxyleerde aminen, geëthoxyleerde alcoholen, alkyl- en nonylfenol-ethoxylaten, geëthoxyleerde sorbitaanesters, en ricinusolie-ethoxylaat.

Bij het kiezen van de juiste oppervlakte-actieve stof is het belangrijk te begrijpen hoe de identiteit van het waterafstotende deel, alsmede de verhouding tussen het waterafstotende en het waterminnende deel kan worden aangepast om een betere wateroplosbaarheid, bevochtiging, detergentie, emulgering, enz. te verkrijgen. Om dit fenomeen te begrijpen moet men eerst de hydrofiel/lipofiel evenwicht (HLB) theorie begrijpen, die uniek is voor niet-ionogene oppervlakte-actieve stoffen.

De HLB van een niet-ionogene oppervlakte-actieve stof kan worden berekend in willekeurige eenheden van 1-20, en worden gebruikt om de neiging van een verbinding te bepalen om effectief te werken in een gegeven oplossing van olie en water. Lagere HLB waarden (< 10) worden gewoonlijk gebruikt voor olierijke oplossingen, terwijl oppervlakte-actieve stoffen met hogere HLB waarden (> 10) typisch het meest efficiënt zijn in olie-in-water emulsies.
Net zoals de identiteit van het hydrofobe gedeelte van de ionische oppervlakte-actieve stof kan worden gevarieerd afhankelijk van de behoefte van de uiteindelijke toepassing, geeft ook de lengte van de polyoxyethyleencomponent (d.w.z. het hydrofiele gedeelte) van de niet-ionische oppervlakte-actieve stof deze klasse van verbindingen een breed assortiment van wateroplosbaarheden en detergerende eigenschappen. Door de hoeveelheid ethyleenoxide te verhogen, neemt de oplosbaarheid in water toe, evenals de hydrofiele/lipofiele balans (HLB) van de verbinding. Voor een volledige lijst van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen, kunt u hier onze productbrochure raadplegen.

Wat is een amfotere oppervlakteactieve stof?

Amfotere oppervlakteactieve stoffen zijn zwitterionisch, wat betekent dat ze zowel een positieve als een negatieve lading op hun polaire hoofdgroep hebben, waardoor de totale nettolading nul is. In het algemeen hebben amfotere oppervlakteactieve stoffen een lage toxiciteit, weinig oog- en huidirritatie, zijn ze bestand tegen hard water, en vertonen ze een uitstekende schuimvorming en compatibiliteit met andere oppervlakteactieve stoffen.

Door dit unieke kenmerk van amfotere oppervlakteactieve stoffen gedragen ze zich anders, afhankelijk van de pH van de uiteindelijke formulering – in een zure omgeving nemen amfotere stoffen meer kationische kenmerken aan, terwijl ze zich in een alkalische omgeving meer gedragen als een anionogene oppervlakteactieve stof. Omdat een amfotere oppervlakte-actieve stof een amfotere structuur heeft, is deze klasse moleculen compatibel met alle andere klassen oppervlakte-actieve stoffen.

Amfotere oppervlakte-actieve stoffen Lijst

Betaïnen en amine-oxiden zijn twee van de meer algemeen gebruikte amfotere oppervlakte-actieve stoffen. Betaïnes bevatten zowel een anionogene als een kationogene groep, zoals respectievelijk een carboxylaat en een quaternaire ammoniumverbinding. Amfotere oppervlakte-actieve stoffen worden als milder beschouwd dan hun anionogene tegenhangers zoals alkyl-ethersulfaten en worden daarom gemakkelijk gebruikt in shampoos als directe of gedeeltelijke vervanging van sulfaten. Dit is te danken aan het vermogen van betaïne om de huid- en oogirritatie te verminderen die wordt toegeschreven aan alkylsulfaten.
Op een vergelijkbare manier kunnen lauramine oxiden de irritatie-effecten van anionogene oppervlakte-actieve stoffen verminderen. Deze oppervlakte-actieve stoffen hebben een hoog schuim- en verdikkingsvermogen en zijn stabiel bij de meeste pH-waarden, inclusief stabiliteit in peroxide- en hypochlorietoplossingen. Belangrijke marktsegmenten voor dit product zijn huishoudelijke verzorging, persoonlijke verzorging, olie & gas, en agrochemische producten.

Wat is kationogene oppervlakte-actieve stof?

In tegenstelling tot anionogene oppervlakte-actieve stoffen hebben kationogene oppervlakte-actieve stoffen een positieve lading op hun hydrofiele kopgroep, waardoor ze nuttig zijn in antistatische producten zoals wasverzachters en haarconditioners. De positief geladen polaire kopgroep wordt afgezet op de licht negatief geladen oppervlakken van haar of van vezels van textiel. Verder is bekend dat de positieve aard van kationogene oppervlakteactieve stoffen helpt bij het verstoren van het celmembraan van bacteriën, waardoor kationogene oppervlakteactieve stoffen nuttig zijn als antimicrobiële stoffen en algemeen worden aangetroffen in schoonmaakmiddelen voor harde oppervlakken en ontsmettingsmiddelen.
Voor de meeste formules waarin kationogene oppervlakteactieve stoffen worden gebruikt, wordt de voorkeur gegeven aan een zure oplossing, omdat hierdoor de positieve lading van de kationogene structuur behouden blijft. Bij het ontwikkelen van een nieuwe formulering is het belangrijk dat de samensteller weet welke soorten oppervlakte-actieve stoffen met elkaar kunnen worden gemengd. Helaas, vanwege de positieve lading van kationogene oppervlakte-actieve stoffen, is het het beste dat een formuleerder geen kationogene en anionogene oppervlakte-actieve stoffen combineert binnen hun formulering, tenzij ze smurrie willen – een kleverige of slijmerige inhomogene substantie.

Wat is een anionogene oppervlakte-actieve stof?

Anionogene oppervlakteactieve stoffen hebben een negatieve lading op hun hydrofiele kop, waardoor ze uitstekende detergerende eigenschappen hebben, dankzij hun geheimzinnige vermogen om zich te binden aan positief geladen deeltjes, zoals vuil en olie, en deze deeltjes op te heffen en in een micelle-achtige structuur te laten zweven. Eenmaal in de micellen kan het vuil via een waterige oplossing worden weggeveegd en door de afvoer worden afgevoerd, waardoor uw huis en werkplek spik en span achterblijven.

Anionogene oppervlakte-actieve stoffen Lijst

Veel voorkomende voorbeelden van anionogene oppervlakte-actieve stoffen zijn alkyl-ethersulfaten, benzylsulfonaten en fosfaatesters. Van anionogene oppervlakte-actieve stoffen is bekend dat zij onder agitatie schuimen, maar dit schuim is niet direct gecorreleerd aan hun vermogen om schoon te maken, aangezien anionogene oppervlakte-actieve stoffen niet goed zijn in het verwijderen, of emulgeren, van oliën in vergelijking met hun niet-ionogene tegenhangers. Meer in het bijzonder zijn anionogene oppervlakte-actieve stoffen die fosfaatester-moleculen bevatten veelzijdige producten die doeltreffende koppelingsmiddelen en fantastische hydrotrope stoffen zijn en stabiel en oplosbaar zijn in alkali-omstandigheden. Deze oppervlakte-actieve stoffen worden op grote schaal gebruikt als compatibiliteitsagent in agrochemische producten en als corrosieremmers in de olie- en gasindustrie.

In het algemeen worden anionogene oppervlakte-actieve stoffen het best gebruikt in alkalische oplossingen, aangezien sommige uit de oplossing zullen neerslaan als ze door een zuur worden geprotoneerd. Bij de formulering is het goed te weten dat alle anionogene oppervlakteactieve stoffen compatibel zijn met niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen, zodat de chemicus kan mengen en combineren uit een rijkdom aan potentiële co-surfactanten. In het geval van de ‘prut’ (zoals eerder genoemd) is het echter het meest raadzaam om het mengen van anionogene met kationogene middelen te vermijden.

Kiezen van de juiste soorten oppervlakteactieve stoffen

Het kiezen van de juiste oppervlakteactieve stof kan een overweldigende taak lijken bij het bepalen van de reikwijdte van een formulering of project. Zoals eerder vermeld, kunnen de eigenschappen van deze oppervlakte-actieve stoffen zeer specifiek zijn, variërend van een snelle bevochtiging tot een sterke detergentie, waardoor de samensteller vaak voor een ogenschijnlijk moeilijke beslissing komt te staan met betrekking tot zijn/haar formulering.

Laten we het voorbeeld nemen van een chemicus die een wasmiddel aan het samenstellen is. Bij het selecteren van een oppervlakte-actieve stof voor zijn product kan deze chemicus zich afvragen…

‘Kies ik een oppervlakte-actieve stof met een snelle bevochtiging of een oppervlakte-actieve stof met een sterke detergentie om aan mijn product toe te voegen?’

Gelukkig genoeg zijn veel van deze oppervlakte-actieve stoffen compatibel met elkaar, waardoor de samensteller oppervlakte-actieve stoffen uit verschillende klassen kan combineren om een efficiënter wasmiddel te maken. Compatibiliteit is echter niet het enige voordeel van het gebruik van een systeem met twee oppervlakte-actieve stoffen, want als ze met elkaar worden gemengd, kunnen co-surfactanten elkaars prestaties versterken. Dit is de reden dat veel formuleerders en chemici vaak kiezen voor zowel een primaire als een secundaire oppervlakte-actieve stof, wanneer ze een mengsel of formulering samenstellen.

Een combinatie van primaire en secundaire oppervlakte-actieve stoffen

Je kunt het formuleren met oppervlakte-actieve stoffen vergelijken met het samenstellen van een voetbal- of basketbalteam dat kampioen wordt. Als algemeen manager zijn er verschillende belangrijke criteria waaraan moet worden voldaan bij het samenstellen van je kampioensploeg, waaronder (1) het bepalen van de rollen van de individuele spelers, (2) de compatibiliteit tussen de spelers, (3) de algehele teamchemie en (4) de kosten van elke speler. Als aan elk van deze criteria kan worden voldaan, dan heb je als algemeen manager van het team (d.w.z. de chemicus achter een formule) je doel bereikt: het winnen van een kampioenschap (of het verkopen van je product aan de hoogste bieder!) Om te begrijpen hoe deze criteria de stabiliteit en winstgevendheid van een product beïnvloeden, zullen we elke afzonderlijke stap binnen dit sportgerelateerde scenario verder uitsplitsen.

De rollen van de individuele spelers bepalen

Het lijkt misschien voor de hand te liggen, maar bij het samenstellen van een basketbalteam met een kampioenschapskwalificatie is het misschien gemakkelijk om te zeggen dat ‘een heel team van Michael Jordans zou werken! Dit scenario van een volledig ‘Jordan-achtig’ team zou in werkelijkheid nooit werken, omdat zijn skill-set (hoewel zeer indrukwekkend) niet elke behoefte van het team kan vervullen.

Wanneer Jordan de meerderheid van de punten scoorde, wie hielp dan met de assists of de rebounds? Dit is waarom Michael Scottie Pippen nodig had (en mogelijk waarom Scottie Michael nodig had). Om dezelfde redenen kan één enkele oppervlakte-actieve stof niet alle taken vervullen die een oppervlakte-actieve stof in een mengsel of formulering moet vervullen. Meestal zal een chemicus een secundaire oppervlakte-actieve stof kiezen (in dit geval Scottie Pippen) om de zwakte van de primaire oppervlakte-actieve stof (bijv. Michael Jordan) te vervullen.

Nemen we ons voorbeeld van een wasmiddel, de primaire oppervlakte-actieve stof zal fungeren als het wasmiddel, dus het belangrijkste doel van de formulering dienen. Een goede optie voor de primaire oppervlakte-actieve stof in dit scenario zou een anionische kunnen zijn, vanwege zijn sterke detergerende eigenschappen die vuil van een kledingstuk verwijderen. De secundaire oppervlakte-actieve stof zal aanwezig zijn om de prestaties van het eindproduct te verhogen (in dit geval, snelle bevochtiging van het textiel).

In dit deel van de formulering zou een niet-ionische (HLB ~ 10) een goede keuze zijn voor een secundaire oppervlakte-actieve stof, aangezien deze de olie en het vuil uit het textiel kan afscheiden, waardoor de primaire oppervlakte-actieve stof het vuil kan verwijderen. De secundaire oppervlakte-actieve stof in het geval van een wasmiddel is in staat om de functie van de primaire oppervlakte-actieve stof te versterken, aangezien deze het oppervlak van het vervuilde kledingstuk bevochtigt, het vuil in de wasoplossing brengt en tenslotte de primaire oppervlakte-actieve stof in staat stelt om het vuil van het substraat weg te emulgeren.

Door een primaire met een secundaire oppervlakte-actieve stof te combineren, kan men eigenschappen van een formulering bereiken die niet kunnen worden vastgesteld door het gebruik van een enkele oppervlakte-actieve stof. Zie je wel, Jordan had Scottie echt nodig!

Spelerscompatibiliteit

Of het nu in de sport is of in een zakelijke omgeving, het is een noodzakelijk onderdeel dat je teamleden compatibel met elkaar zijn, omdat onenigheid, meningsverschillen en conflicten het doel van de groep kunnen verstoren. Een team werkt het best wanneer elk individu harmonieus met iedereen samenwerkt. Zouden Tom Brady en Bill Belichick in het voetbal zes Super Bowl-ringen hebben (vanaf augustus 2019) als ze het niet met elkaar eens waren?

Het antwoord is een volmondig NEE, want de twee zijn in-sync en hun voetbal-besluitvormingscapaciteiten vullen elkaar perfect aan. Om deze reden kan het selecteren van compatibiliteit tussen een primaire en secundaire oppervlakteactieve stof net zo lonend zijn voor productontwikkeling. Hieronder volgen enkele algemene richtlijnen voor de compatibiliteit van oppervlakteactieve stoffen.

1. Nonionogene oppervlakteactieve stoffen zijn in het algemeen compatibel met anionogene, kationogene en amfotere oppervlakteactieve stoffen.
2. Anionogene oppervlakteactieve stoffen zijn NIET compatibel met kationogene (en omgekeerd).
3. Amfotere oppervlakteactieve stoffen zijn over het algemeen compatibel met niet-ionogene, anionogene en kationogene oppervlakteactieve stoffen.

Teamchemie

De term ‘teamchemie’ wordt vaak gebruikt om te beschrijven hoe goed een team hun rol begrijpt en accepteert binnen het grotere geheel van een heel team en een hele sport. Spelers kunnen perfect in hun rol passen en goed met elkaar overweg kunnen (voldoen aan criteria 1 en 2), maar om de een of andere onvoorziene reden niet goed met elkaar overweg kunnen op het speelveld. Coaches kunnen de situatie helpen door oefeningen te houden en jarenlange kennis door te geven aan de spelers. Maar als de algemeen manager geen team met een unieke teamchemie heeft samengesteld, zal de hele groep die kampioensring mislopen.

Ook primaire oppervlakte-actieve stoffen en secundaire oppervlakte-actieve stoffen moeten niet alleen compatibel zijn met elkaar, maar ze moeten ook de juiste “chemie” hebben binnen een formulering om de stabiliteit van het product te bevorderen, terwijl ze de optimale toepassingseigenschappen moeten blijven hebben. Bijvoorbeeld, primaire en secundaire oppervlakte-actieve stoffen die het geheimzinnige vermogen hebben om een paraffinewas te emulgeren, zijn misschien niet zo nuttig bij het emulgeren van naftaleoliën. De chemicus in dit scenario, is als de coach, en zal moeten vertrouwen op zijn ervaring om oppervlakte-actieve stoffen te selecteren die de meest stabiele en levensvatbare optie bieden tijdens de ontwikkeling van een product.

Daarnaast zal het oefenen van oppervlakte-actieve mengsels en mengtechnieken met een verscheidenheid van oppervlakte-actieve stoffen die variëren in hun HLB waarden helpen bij het bepalen van de keuze van primaire, secundaire en soms tertiaire oppervlakte-actieve stoffen. Zoals het gezegde luidt in sport en chemie… oefening baart kunst!

Kosten van de spelers

Het bereiken van de eerste drie criteria voor het samenstellen van een kampioensteam kan een prijs hebben. De Michael Jordan’s en Tom Brady’s van de wereld zijn niet goedkoop, maar zelfs met de duurste spelers, heeft een kampioensteam behoefte aan ontwikkeling, oefening en begeleiding. Op een vergelijkbare manier zal het kiezen van de duurste oppervlakte-actieve stof niet alle problemen oplossen met betrekking tot de stabiliteit, bruikbaarheid of toepasbaarheid van een product op de markt.

Als een Amerikaanse fabrikant van oppervlakte-actieve stoffen, heeft Oxiteno niet alleen een brede selectie van oppervlakte-actieve stoffen om uit te kiezen, maar ons ervaren team van experts is beschikbaar om u te helpen met productkosten, technische informatie en regelgevingskwesties waarmee u te maken kunt krijgen.

Voel u vrij om vandaag nog online contact met ons op te nemen om al uw behoeften op het gebied van productformulering te bespreken. Wij zijn er om u te helpen op weg naar uw kampioenschap.