ПАВ

Поверхностно-активные вещества ( лат. Tenus , натянутые) - это вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение жидкости или межфазное натяжение между двумя фазами и позволяют или поддерживают образование дисперсий или действуют как солюбилизаторы .

Поверхностно-активные вещества означают, что две жидкости, которые фактически не смешиваются друг с другом, такие как масло и вода, могут быть тонко смешаны. Под поверхностно-активными веществами также понимаются активные для стирки вещества ( детергенты ), содержащиеся в моющих средствах для стирки , средствах для мытья посуды и шампунях . В составах моющих средств содержание поверхностно-активного вещества обычно составляет 1–40%. Современные поверхностно-активные вещества были разработаны в первой половине 20-го века и дополнили традиционно используемые поверхностно-активные мыла (натриевые и калиевые соли жирных кислот) и в значительной степени заменили их в некоторых областях применения.

При использовании в пищевой промышленности поверхностно-активные вещества называют эмульгаторами .

Поверхностно-активные вещества также используются в качестве смачивающих , огнегасящих и диспергирующих агентов.

характеристики

Агрегат анионных ПАВ в воде ( сферическая мицелла )
Капли масла ПАВ в воде
Поверхностно-активные вещества на поверхности воды
Суспензия: поверхностно-активные вещества и твердые вещества
Пенные пузыри: « мыльный пузырь »

Функцию поверхностно-активных веществ можно объяснить их молекулярной структурой. Поверхностно-активные вещества обычно состоят из гидрофобного («водоотталкивающего») углеводородного остатка и гидрофильной (« водоотталкивающей ») части молекулы; их называют амфифильными («любящими обоих»). На следующих рисунках «водолюбивые» части молекулы отмечены красным цветом.

Если вы добавите поверхностно-активные вещества в воду, они сначала разместятся на поверхности воды. Поверхностно- активные вещества выше критической концентрации образуют в воде обычно небольшие сферические агрегаты , называемые мицеллами . Молекулы поверхностно-активного вещества выстраиваются таким образом, что гидрофобные концы собираются внутри мицелл, а гидрофильные концы ориентированы в сторону воды. При высокой концентрации ПАВ также могут образовываться палочковидные мицеллы ( червеобразные ). При еще более высокой концентрации образуются ламеллярные бислои поверхностно-активного вещества или липосомы, которые инкапсулируют воду. Агрегация происходит потому, что она энергетически более выгодна. В частности, растворы, изготовленные из червеобразных мицелл, демонстрируют очень сложное поведение потока, которое все еще является предметом текущих исследований.

Поверхностно- активные вещества образуют тонкий слой на поверхности воды и, таким образом, снижают поверхностное натяжение воды. Здесь тоже располагаются молекулы ПАВ. Гидрофильные концы указывают в направлении воды, гидрофобные концы выступают в направлении воздуха.

  • Влияние поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение можно легко продемонстрировать: легкий предмет (например, булавка) помещают на поверхность воды (вода без поверхностно-активных веществ). Обычно он не уходит под воду, а скорее уносится водой из-за высокого поверхностного натяжения. Если затем добавить небольшое количество поверхностно-активного вещества (например, жидкости для мытья посуды), поверхностное натяжение снизится. Это больше не может противодействовать силе веса , действующей на поверхность воды из-за более высокой плотности нанесенного объекта: объект тонет.

В качестве эмульгаторов поверхностно-активные вещества гарантируют, что две несмешивающиеся жидкости (например, масло в воде) могут смешаться с образованием эмульсии . Благодаря амфифильному характеру молекулы поверхностно-активного вещества она проникает в масло своей жирорастворимой частью. Благодаря гидрофильности капля масла остается диспергированной в воде после перемешивания .

Мы говорим о смачивателях, когда целью использования поверхностно-активных веществ является не смешивание двух фаз, а уменьшение межфазного натяжения между твердой поверхностью и жидкостью. Вместо того, чтобы образовывать капли, вода легче стекает с поверхности. В фотолаборатории , например, поверхностно-активные вещества используются в качестве смачивателей, чтобы предотвратить появление сухих пятен на фотоматериалах после окончательной стирки.

Поверхностно-активные вещества способствуют отделению мелких твердых частиц от твердых поверхностей, например, удаляют частицы грязи с одежды. Твердые частицы «удерживаются во взвешенном состоянии» в воде. Их использование способствует формированию и поддержанию так называемой подвески . Поверхностно-активные вещества накапливаются вокруг твердых частиц эмульсионным образом и предотвращают их слипание, оседание (= осаждение ) и возобновление адгезии к другим твердым поверхностям, которые сами покрыты «слоем поверхностно-активного вещества». Твердые частицы, покрытые поверхностно-активным веществом, образуют с водой так называемый коллоид . В качестве диспергирующих агентов поверхностно-активные вещества относятся к твердым (неподвижным) пигментам, находящимся в краске, находящейся в суспензии.

Образование пены происходит из-за свойств поверхностно-активных веществ. Молекулы поверхностно-активного вещества образуют двухслойную пленку с гидрофобными концами поверхностно-активных веществ, образующими две поверхности. В гидрофильные концы указывают в пленку. Сильное пенообразование может быть разрушительным при использовании или в присутствии поверхностно-активных веществ, поэтому используются пеногасители .

Анионные поверхностно-активные вещества образуют нерастворимые осадки с катионами щелочноземельных металлов , которые обычно называют известковыми мылами . Известковые мыла больше не обладают свойствами «растворимых» поверхностно-активных веществ, описанных выше. Известковое мыло образуется из-за жесткости воды . Если в качестве моющих средств используются поверхностно-активные вещества, в моющее средство добавляется смягчитель .

Конструкция и изготовление

Все поверхностно-активные вещества состоят из неполярной и полярной частей ( функциональных групп ) (см. Полярность ). Алкильная группа или алкилбензольная группа обычно используется в качестве неполярной части . Полярная часть может быть структурирована по-разному (см. Таблицу):

ПАВ гидрофильная группа TensideHyrophilHydrophob.png
неионные поверхностно-активные вещества –OH (несколько спиртов ), –O– ( простые эфиры ) или комбинация –O - CH 2 –CH 2 –OH (например, этоксилаты )
анионные поверхностно-активные вещества –COO - ( карбоксилаты ), –SO 3 - ( сульфонаты ) или –OSO 3 - ( сульфаты )
катионные поверхностно-активные вещества R 4 N + ( четвертичная аммониевая группа )
амфотерные ПАВ
(цвиттерионные ПАВ)		 в основном –COO - ( карбоксилаты ) и R 4 N + ( четвертичная аммониевая группа )
Нефтехимические и олеохимические способы синтеза поверхностно-активных веществ

Часто делаются попытки различить натуральные и синтетические поверхностно-активные вещества. Это различие нелегко и не всегда имеет смысл. Встречающиеся в природе поверхностно-активные вещества представляют собой, например, сапонины или фосфолипиды, такие как лецитин .

Поверхностно-активные вещества природного происхождения представляют собой, например, мыло, которое производится из натурального сырья ( возобновляемого сырья , например, из растительных или животных жиров ) путем омыления . На основе жиров и полученных из них жирных спиртов поверхностно-активные вещества, такие как полигликолевые эфиры жирных спиртов (FAE), сульфаты жирных спиртов (FAS), сульфаты эфиров жирных спиртов (FAES, сульфатированные полигликолевые эфиры жирных спиртов) и сульфонаты метиловых эфиров (MES , сульфированный жирные кислоты метиловых эфиров ) также может быть получены. Также из возобновляемого сырья попадают в сахар поверхностно-активные вещества . Б. Алкилгликозиды из гексоз или пентоз и жирных спиртов. Однако для его получения требуется глубокая химическая реакция .

Синтетические поверхностно-активные вещества производятся из нефтяного сырья ( нефтехимии ) или производных продуктов, синтезированных из них , таких как алканы , бензол , алкилбензолы , олефины , этиленоксид и жирные спирты , например, в алкилбензолсульфонаты (ABS), вторичные алкансульфонаты (SAS) и соответствующие поверхностно-активные вещества например, на основе преобразованных жирных спиртов, полученных из жиров.

Важным свойством поверхностно-активного вещества является его биоразлагаемость . Акт очистки Агенты по стирке и (ГУВР) требуют , чтобы каждый поверхностно -активного вещества производителя , что скорость первичной биоразлагаемости анионных и неионных поверхностно - активных должно быть по меньшей мере 80%. С этой целью часто проводятся тесты для определения биологической (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК). Тип биоразложения некоторых поверхностно-активных веществ (например, алкилбензолсульфоната ) известен очень точно. Когда возникло подозрение, что эфиры алкилфенола и полигликолей токсичны для рыб, производители немедленно сняли этот продукт с рынка.

история

Мыло-подобные соединения использовались еще в 2500 году до нашей эры. Об этом сообщается в шумерских клинописных документах . Мылообразные соединения можно получить кипячением оливкового масла с древесной золой ( поташом ). Подобные поверхностно-активным веществам продукты из жиров были также известны египтянам, грекам, римлянам, германцам и галлам.

Мыло-подобные продукты также производились из древесной золы и жиров в средние века и в эпоху Возрождения . Мыло можно было производить дешево только за счет синтетического производства соды из поваренной соли , серной кислоты и извести с использованием процесса Леблана .

В 20-м веке все больше требовались моющие средства для чистки текстиля в стиральных машинах .

Норманн К. Адам разработал легкодоступное поверхностно-активное вещество, тетрапропиленбензолсульфонат (TPS). В начале 1960-х годов это поверхностно-активное вещество покрывало 65% потребности в поверхностно-активном веществе в западном мире . Однако из-за плохой способности к биологическому разложению в реках образовывались груды пены. С 1964 года были разработаны более биоразлагаемые линейные алкилбензолсульфонаты (LAS).

С начала 1980-х годов исследования также были сосредоточены на поиске возобновляемого поверхностно-активного сырья. Хенкель производит алкилполигликозиды с 1990 года . Они содержат остаток сахара как гидрофильную часть молекулы и поэтому классифицируются как поверхностно-активные вещества сахара . Поскольку сахарный остаток не имеет заряда, они классифицируются как неионные поверхностно-активные вещества.

Используемые сегодня поверхностно-активные вещества соответствуют требуемой по закону степени первичного разложения , хотя в конечном итоге достигаемый уровень разложения значительно различается . Степень первичной деградации связана с потерей межфазной активности . Однако окончательное разложение завершается только тогда, когда органическое соединение полностью преобразовано. Этот окончательный демонтаж не регулируется законодательством.

использовать

пищевая промышленность

Некоторые поверхностно-активные вещества используются в пищевых продуктах в качестве эмульгаторов или пенообразователей. Разрешенные пищевые добавки перечислены в статье « Список пищевых добавок, одобренных в Европейском Союзе» .

Подщелачивание или омыления из какао жира в питьевой какао порошок служит для уменьшения поверхностного натяжения молока и для достижения более быстрого смачивания или суспензий пола-жирового какао - порошка.

Моющие и моющие средства

В моющих средствах , средствах для мытья посуды , шампунях , гелях для душа и т. Д. Поверхностно-активные вещества используются для увеличения «растворимости» частиц жира и грязи, которые прилипают к белью или к телу в воде.

Используемые поверхностно-активные вещества включают линейные алкилбензолсульфонаты (LAS), алкилполигликозиды (APG), эстеркваты (EQ), этоксилаты жирных спиртов (FAEO), сульфаты жирных спиртов (FAS) и сульфаты эфиров жирных спиртов (FES). Тем не менее, алкилфенолполигликолевые простые эфиры , алкилфенол этоксилаты (APEO) и тетрапропиленгликоль бензолсульфонат (TPS) более не используется .

Кондиционер для белья состоит из катионных поверхностно-активных веществ, которые предотвращают затвердевание белья при высыхании.

Аптека и косметика

Эмульгаторы являются необходимым условием, помимо прочего, для получения эмульсий типа вода в масле. для приготовления кремов для кожи . Кроме того, они необходимы для получения большого количества суспензий для получения лекарственных веществ в жидкой форме.

Пестициды

Средства защиты растений содержат поверхностно-активные вещества для лучшего смачивания ( разрастания ) растений. Наиболее распространенным смачивающим агентом является этоксилированный жирный амин . Также используются трисилоксаны или полиоксиэтилированные жирные спирты.

биохимия

В биохимии поверхностно -активных веществ , в частности к денатурации белков и солюбилизации в мембранных белков , используемых:

науки о Земле

В геологии и палеонтологии поверхностно-активные вещества часто используются для щадящей подготовки проб донных отложений . Этот метод можно использовать, например, для предотвращения образования сернистой кислоты в образцах, содержащих пирит , что имело бы место, если бы они обрабатывались перекисью водорода, которая в противном случае использовалась для подготовки образцов .

технология

Пластиковый тест

Поверхностно-активные вещества находят особое применение в технологии пластмасс . Водные растворы поверхностно-активных веществ используются здесь для проверки склонности полимерных материалов к растрескиванию под напряжением . Поверхностно-активные вещества также используются для сокращения времени отказа при длительных испытаниях; это особенно используется при испытаниях на рост трещин на полиэтилене . Смачивающие агенты используются в испытании на ползучесть при полном надрезе при испытании полиэтиленовых трубопроводов .

Антистатики

Ионные поверхностно-активные вещества также действуют как внешние антистатики для предотвращения электростатического заряда пластиковых поверхностей ( защита от электростатического разряда ). Для этого используются как анионные, так и катионные поверхностно-активные вещества.

Текстильная отделка

Использование перфторированных поверхностно-активных веществ , например B. Фтортеломерные спирты (FTOH) в качестве материалов для покрытия текстильных изделий, ковров и строительных изделий придают или улучшают водо- и жироотталкивающие свойства этих продуктов. Однако, как представитель группы PFC , они подвергаются критике, потому что они настойчивы и практически не ломаются естественным путем.

Смазочно-охлаждающая жидкость

Поверхностно-активные вещества используются в водно- охлаждающих смазках ( эмульсиях вода-в-масле ) для охлаждения и смазки во время резки металла.

фотография

Это предотвращает появление высыхающих пятен и полос во время проявления пленки . В последнюю водяную баню (заключительная стирка) добавляется увлажняющий агент.

Чернила для принтера

Поверхностно-активные вещества контролируют консистенцию чернил в струйных принтерах . Слишком мало поверхностно-активных веществ приводит к слипанию цветных пигментов , слишком большое количество делает чернила слишком жидкими при печати.

Переработка бумаги

Поверхностно-активные вещества помогают при переработке бумаги отделять частицы печатной краски от бумажных волокон и переносить печатную краску на поверхность во время удаления краски ( удаления печатной краски).

Пожаротушение

Одним из методов тушения пожара является тушение «расслабленной водой », также известной как «чистая вода» , то есть водой со значительно пониженным поверхностным натяжением. С одной стороны, это имеет то преимущество, что вода для тушения может лучше проникать в горящие материалы, такие как дерево или ткань, и, таким образом, имеет еще лучший охлаждающий эффект. С другой стороны, благодаря своему эффекту улучшения текучести вода для пожаротушения, смешанная с поверхностно-активными веществами, может распыляться на большее расстояние с той же мощностью насоса. Однако последний эффект сознательно не используется. Специальные пенные концентраты ( AFFF ) для тушения пожаров жидкости содержат перфторированные поверхностно-активные вещества , которые образуют газонепроницаемую жидкую пленку между сжигаемым материалом и пеной, что в то же время придает ковровому покрытию из пенопласта лучшие скользящие свойства и, таким образом, способствует большему возгоранию жидкости. быть потушенным в первую очередь.

медицина

В медицине увлажняющие агенты используются в качестве добавки к мазям и при секретолизе ( например, тилоксапол , полисорбат 80 ). Они снижают поверхностное натяжение жидкостей и растворяют засохшие выделения из эпителиального слоя за счет интенсивного смачивания шариков и пробок слизи. Однако оценка их терапевтической ценности противоречива.

Естественное явление

Некоторые гусеницы от насекомых плюнуть на хищниках с поверхностно- активным веществом секрецией . Это имеет сдерживающий эффект на атакующих муравьев и позволяет гусеницам убегать. Такое поведение наблюдается у гусениц из Юго - Восточной Азии , происходящий моли свеклы совки .

Экономическое значение

Мировое производство ПАВ в 2000 году составило 10,5 млн тонн. Анионные поверхностно-активные вещества (56% мирового производства поверхностно-активных веществ) и неионогенные поверхностно-активные вещества (35% мирового производства поверхностно-активных веществ) являются экономически наиболее важными классами поверхностно-активных веществ. В 2010 году во всем мире пользовались спросом около 6,5 миллионов тонн анионных поверхностно-активных веществ. Вместе с неионными поверхностно-активными веществами на эти две группы приходится около 85% мирового спроса на поверхностно-активные вещества.

В 2008 году около 3,0 млн. Тонн ПАВ было произведено в Западной Европе, 1,6 млн. Тонн в США, 1,4 млн. Тонн в Китае и 0,98 млн. Тонн в Японии. В 2008 году в Западной Европе было произведено 1,22 миллиона тонн анионных ПАВ, 1,41 миллиона неионных ПАВ, 0,28 миллиона тонн катионных ПАВ и 80 000 тонн амфотерных ПАВ.

Самым важным поверхностно-активным веществом в мире является линейный алкилбензолсульфонат (LAS) с годовым объемом производства 4 миллиона тонн. Другим важным поверхностно-активным веществом, значение которого постоянно растет (текущий объем производства: 90 000 тонн), является сульфонат метилового эфира (MES, метиловый эфир альфа-сульфоалканкарбоновой кислоты натрия). Годовая добыча к 2020 году оценивается в 1 миллион тонн. «Зеленые поверхностно-активные вещества», такие как N- ацилглутамат, N- ацилсаркозинат и сложные эфиры сорбитановой кислоты , особенно важны в косметической промышленности из-за их более высокой цены.

Очень крупным международным производителем поверхностно-активных веществ (особенно для LAS) является компания Sasol . Другими важными компаниями на рынке поверхностно-активных веществ являются BASF , Clariant , Cognis , Huntsman, Shell , в России - Нижнекамскнефтехим ( русский : Нижнекамскнефтехим) и Киришинефтеоргсинтез (русский: КиришинефФтеоргсинтез), в Китае: India Indian Petrochemicals Corp. ООО В частности, в азиатском регионе ожидается дальнейший рост рынка поверхностно-активных веществ.

литература

  • Бернд Фабри: ПАВ - свойства, сырье, производство, применение. В кн . : Химия в наше время . 25 (4), стр. 214-222 (1991), DOI: 10.1002 / ciuz.19910250407
  • Фредрик М. Менгер, Джейсон С. Кейпер: поверхностно-активные вещества для близнецов. В: Angewandte Chemie . . 112, стр 1980-1996 (2000), DOI : 10.1002 / 1521-3757 (20000602) 112: +11 <:: 1980 АИД-ANGE1980> 3.0.CO; 2-Д
  • Гюнтер Вагнер: моющие средства . Научная серия. Химия и экология, Ernst Klett Verlag Stuttgart 1993, ISBN 3-12-993663-7
  • Тило Кайзер, Винфрид Шварц, Матиас Фрост: Выбросы веществ в почву - оценка потенциальной опасности элементов платиновой группы, лантаноидов, оловоорганических соединений, фталатов, нонилфенола, поверхностно-активных веществ, поликарбоновых кислот, моющих и дезинфицирующих средств, ветеринарных препаратов и кормовых добавок . Logos-Verl., Берлин 1998, ISBN 978-3-89722-089-8 .

веб ссылки

Commons : Surfactants  - Коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Бек, Р.: Физические свойства систем анионных поверхностно-активных веществ с двухвалентными противоионами и их смесей с цвиттерионными поверхностно-активными веществами и дополнительными поверхностно-активными веществами. (PDF) 2004, доступ к 20 ноября 2019 .
  2. ↑ strey.pc.uni-koeln.de: Реология: вязкоупругое поведение червеобразных мицеллярных растворов поверхностно-активных веществ ( Memento от 31 декабря 2017 г. в Интернет-архиве )
  3. ↑ а б BERND Фабри: Поверхностно -активные вещества, свойства сырья, производства, приложения . В кн . : Химия в наше время . Лента 25 , нет. 4 , 1991, стр. 214-222 , DOI : 10.1002 / ciuz.19910250407 .
  4. ↑ Umweltlexikon-online.de: Tenside , по состоянию на 27 мая 2013 г.
  5. ↑ Syngenta: Применение в сельском хозяйстве - Добавки - Важные добавки (стр. 11)
  6. ↑ Буклет Calbiochem: Моющие средства (PDF; 619 kB).
  7. ↑ Wayback Machine. (PDF) 16 января 2018, доступ к 24 сентября 2020 .
  8. ↑ Franz v. Брухгаузен, Г. Даннхардт, Зигфрид Эбель, Август-Вильгельм Фрам, Эберхард Хакенталь, Ульрике Хольцграбе: справочник Хагера по фармацевтической практике . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-57880-9 , стр. 292 ( ограниченный просмотр в поиске Google Книг).
  9. ↑ а б Ф. Meyers, E. Jawetz, A. Goldfien: Учебник фармакологии Для студентов-медиков всех ступеней обучения и для врачей . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-66183-9 , стр. 350 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске Google Книг).
  10. ^ Ф. Кауфманн: переговоры Немецкого общества внутренней медицины, шестьдесят второй конгресс . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-40971-8 , стр. 88 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске Google Книг).
  11. ↑ Исследование рынка ПАВ, проведенное Ceresana Research, февраль 2012 г.
  12. ↑ HG Hauthal: Tenside, Устойчивое развитие: сырье, продукты, процессы, SÖFW-Journal, 6-2008, стр. 10.
  13. ↑ HG Hauthal: Tenside, Устойчивое развитие: сырье, продукты, процессы, SÖFW-Journal, 6-2008, стр. 11
  14. ^ Карл Виннакер, Леопольд Кюхлер, Роланд Диттмайер: питание, здоровье, потребительские товары . В кн . : Техническая химия . Лента 8 . Wiley-VCH, 2005, ISBN 3-527-30773-7 , стр. 795 ff .