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  • NAGO SHARE ▏浅谈表面活性剂的功能与应用
    2022-09-20



    在《揭秘洗护类产品的核心成分》一文中,我们简单介绍了表面活性剂的定义和特点,并了解到表面活性剂的很多应用均与胶束有关,接下来就让我们一起来看看表面活性剂具体有哪些功能与应用。


    表面活性剂能够显著降低体系的表面或表面张力,当浓度超过临界胶束浓度(CMC)时,在溶液内部形成胶束,从而产生增溶、润湿、乳化、分散、起泡和洗涤等多方面的功能。




    ①、增溶作用


    所谓增溶作用是指由于表面活性剂胶束的存在,使得在溶剂中难溶乃至不溶的物质溶解度显著增加的作用。它的基础是胶束的形成,表面活性剂浓度越大,形成的胶束越多,难溶物或不溶物溶解得越多,增溶量越大。增溶作用可使被增溶物的化学势降低,使体系更加稳定,是自发进行的过程。



    1.1 增溶作用的方式


    增溶作用是与胶束密切相关的现象,主要有四种方式。


    非极性分子在胶束内核的增溶:饱和脂肪烃、苯等不易极化的非极性有机化合物,通常被增溶于胶束内核中,如图1(a)所示,该方式增溶后胶束体积变大。


    表面活性剂分子间的增溶:对于分子结构与表面活性剂相似的有机化合物,则是增溶于胶束的“栅栏”之间,如图1(b)所示,这种方式增溶后胶束并不变大。


    胶束表面的吸附增溶:既不溶于水、也不溶于油的小分子极性有机化合物在胶束表面的增溶,如图1(c)所示


    聚氧乙烯链间的增溶:以聚氧乙烯基为亲水基团的非离子表面活性剂,通常被增溶物包藏在胶束外层的聚氧乙烯链中,如图1(d)所示


    图1 表面活性剂的增溶方式



    1.2增溶能力


    表面活性剂的化学结构不同,增溶能力不同。具有相同亲油基的表面活性剂,对烃类及极性有机物的增溶作用大小顺序一般为:非离子型>阳离子型>阴离子型。这是由于非离子表面活性剂临界胶束浓度较小,胶束易生成,因此胶束聚集数较大,增溶作用较强。阳离子表面活性剂的胶束比阴离子表面活性剂有较为疏松的结构,因此增溶作用比后者强。




    1.3增溶作用的应用


    目前表面活性剂的增溶作用主要应用在乳液聚合、石油开采、胶片生产及洗涤等方面。


    1.4增溶作用对化妆品配方的影响


    增溶使将某些难溶物质加入溶液中变得容易,例如防腐剂。但配方的复杂性可能引起防腐剂和其他组分的相互作用,如与表面活性剂的相互作用。已知某些阴离子、阳离子、非离子表面活性剂通过影响防腐剂的抗菌活性,或与防腐剂结合使防腐剂失活。阳离子和非离子表活能使氯二甲酚失活。季铵化合物防腐剂与阴离子表面活性剂和皂类不配伍。阴离子表活能降低一些防腐剂的抗菌活性,如氯己定、二氯苯甲醇、羟苯酯类、聚氨丙基双胍。与阳离子和阴离子表活相比,非离子表活可能对较多类型防腐剂产生干扰作用。已知非离子表活干扰下列防腐剂的活性,如乙醇、三氯叔丁醇、苯甲酸、苯甲醇、苄氯酚、三氯卡班等等。对于非离子表活,临界胶束浓度是影响防腐剂活性的重要因素。CMC是表面活性剂形成胶束的浓度。非离子表活一般有很低的CMC值和使用量远超过CMC值。如果浓度在CMC值以上,非离子表活通过吸附,或增溶包裹在内,可抑制防腐剂的抗菌活性。除增溶作用外,还可能使聚氧乙烯链的醚基和酚的羟基形成复合物。例如,聚山梨醇酯-80是一种非离子表活,如果浓度在CMC值以上,会干扰羟苯酯类的抗菌活性。为了克服此问题,在含有非离子表活的配方中,一般需要加入较高浓度的防腐剂,或添加增加它们在水中溶解度的物质(例如丙二醇、丁二醇、己二醇等)补偿由于增溶作用的损失,才有足够的防腐作用。




    ②、润湿功能


    所谓润湿是指一种流体被另一种流体从固体表面或固-液洁面所取代的过程。润湿是广泛存在于自然界的一种现象。表面活性剂具有双亲分子结构,能够在洁面发生定向吸附,降低液体的表面张力,因此常被用来改变体系的润湿性质,以满足实际应用的需要。表面活性剂的润湿作用具体表现在两方面,一是在固体表面发生定向吸附,二是提高液体的润湿能力。




    2.1表面活性剂在润湿方面的应用


    可应用于矿物的泡沫浮选、金属的防锈与缓蚀、织物的防水防油处理以及在农药中的应用。


    ③、乳化作用


    乳状液是指一种或多种液体以液珠形式分散在与它不相混溶的液体构成的分散体系,由于体系呈现白色而被称为乳状液,形成乳状液的过程叫做乳化。


    在乳状液体系中,以液珠形式存在的一相称为内相,由于其不连续性又被称为不连续相或分散相。另一相连成一片,叫做外相或连续相或分散介质。由于大部分乳状液有一相是水或水溶液,另一相是与水不互溶的有机相,故乳液的两相也分别被称为水相和油相。




    乳状液主要有水包油(O/W)、油包水(W/O)、套圈型(O/W/O和W/O/W)三种类型。通常易溶于水的乳化剂有助于形成O/W型乳状液,易溶于油的乳化剂有助于形成W/O型乳状液。乳化剂在某相中的溶解度越大,表示二者的相容性越好,表面张力越低,体系的稳定性也越好。

    3.1 在化妆品中的应用


    化妆品有多种剂型,但以乳状液为主。这主要是因为:


    (1)将油性原料与水性原料混合使用,在感觉和外观上优于单独使用油性原料;


    (2)可以将互不混溶的原料用于同一配方中;


    (3)可以调节对皮肤作用的成分;


    (4)可以改变乳化状态,制成满足要求的制品;


    (5)可使微量成分在皮肤上均匀涂敷。





    ④、分散作用


    将固体以微小粒子形式分布于分散介质中,形成具有相对稳定性体系的过程叫做分散。


    表面活性剂在固体微粒表面的吸附能增加防止微粒重新聚集的能障,降低了粒子聚集的倾向,提高了分散体系的稳定性。在水介质中,表面活性剂主要通过范德华力以疏水基吸附于粒子表面,而以亲水基伸向水介质,以静电斥力或空间熵效应使分散体系稳定。在有机介质中,表面活性剂则以极性的亲水基团与粒子通过氢键、离子键等结合,而非极性碳氢链伸向介质中,其分散作用主要是靠空间位阻产生熵斥力来实现的。表面活性剂在粒子分散过程中的稳定作用可由图2表示。




    图2表面活性剂在粒子分散过程中的稳定作用



    ⑤、起泡作用


    泡沫是气体分散于液体中的分散体系,气体是分散相,液体是分散介质。由于泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系,其内部存在巨大的气-液界面,界面能很高,因此是热力学不稳定体系。影响泡沫稳定性的主要因素有液体的表面张力、界面膜的性质、表面张力的修复作用、表面电荷、泡内气体的扩散以及添加的表面活性剂的结构等。


    在某些情况下,泡沫的产生是有利的,如矿物的浮选、泡沫灭火器等。在洗涤剂和化妆品工业中,泡沫在改善产品的感官性质,增加商品价值和消费者的可接受性方面都起着很大的作用。




    ⑥、洗涤作用


    自浸在某种介质(一般为水)中的待洗物体表面去除污垢的过程称为洗涤。一般情况下,洗涤的过程可表示为:


    可见,洗涤剂在洗涤过程中是不可缺少的,它有两方面的作用。一方面,降低水的表面张力,改善水对洗涤物表面的润湿性,从而去除固体表面的污垢。另一方面是对油污的分散和悬浮作用,使已经从固体表面脱离下来的污垢能很好的分散和悬浮在洗涤介质中,不再沉积在固体表面。



    ⑦、表面活性剂的其它功能


    除了增溶、润湿、乳化、分散、起泡和洗涤这6种功能外,表面活性剂还有柔软平滑作用、抗静电作用和杀菌功能等。

    杀菌抑霉作用是表面活性剂的派生性质。阳离子表活在这方面的作用比较显著。表面活性剂杀菌抑霉机理目前尚不完全清楚,有人提出这种作用是由于表面活性剂的阳离子电荷吸附于微生物的细胞壁,破坏细胞壁内的某种酶;与蛋白质发生某种反应并影响微生物正常的代谢过程,最终导致微生物死亡。一般情况下,阳离子表活,特别是分子结构中带有苄基的季铵盐具有较强的杀菌性。例如洁尔灭,即十二烷基二甲基苄基氯化铵,其10%的水溶液杀菌能力相当于苯酚杀菌能力的50-60倍,因此被广泛用作外科手术和医疗器械等的消毒杀菌剂。


    ⑧、表面活性剂与防腐的小关联


    综上可得,表面活性剂具有多种功能,且不同表面活性剂之间的功能差别较大。某些阳离子表活由于结构上的特性,具有较好的杀菌效果,因此常被用作杀菌剂。但其与阴离子表活不配伍,所以常避免用在洗护体系中。非离子表活由于其与其他类型表活的相容性好和良好的溶解性、温和性,因此在洗护配方中常受到工程师的青睐。但又因为非离子表活的临界胶束浓度较低,增溶能力较强,会包裹或干扰防腐剂,造成一定的防腐难度。

    所以,一般需要加入较高浓度的防腐剂,才有足够的防腐作用。而对于表内传统防腐剂来说,都有限制添加用量,当提高用量时会有超出限用含量,产品无法通过备案和刺激性增大的风险。为了解决这个难题,我们一直在寻找和研发新的防腐剂,最终发现植物抑菌剂有望解决这个难题,其在建议添加用量范围内能有较好的防腐能力,且性能温和,也不会有限用含量的问题。






    参考文献


    [1]王世荣,李祥高,刘东志等.表面活性剂化学. 北京:化学工业出版社,2010.
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    [5]裘炳毅,高志红.现代化妆品科学与技术.中国轻工业出版社,2015
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