خصائص المواد الخافضة للتوتر السطحي شائعة الاستخدام في المنظفات

1. المواد الفعالة بالسطح

توجد أنواع عديدة من المواد الفعالة سطحياً. وبحسب ترتيبها حسب الناتج، تشكل المواد الفعالة سطحياً الأنيونية 56%، والمواد الفعالة سطحياً غير الأيونية 36%، والمواد الفعالة سطحياً المذبذبة 5%، والمواد الفعالة سطحياً الكاتيونية 3%.

2. المواد الفعالة بالسطح الأنيونية

2.1 المواد الفعالة السطحية الأنيونية من نوع السلفونات

تشمل الأنواع الشائعة من هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي سلفونات ألكيل بنزين الصوديوم الخطي وسلفونات ألفا أوليفين الصوديوم.

سلفونات ألكيل بنزين الصوديوم الخطي، المعروف أيضًا باسم LAS أو ABS، هو مسحوق أو رقائق صلبة بيضاء أو صفراء باهتة قابلة للذوبان في الماء. يتميز بانخفاض ذوبانه في الماء عند درجات الحرارة المنخفضة، حيث تقل ذوبانيته عن 3 في الماء عند درجة حرارة الغرفة، ولكنه يتمتع بذوبانية ممتازة في أنظمة المواد الخافضة للتوتر السطحي المركبة. يتميز بثبات جيد ضد القلويات والأحماض المخففة والماء العسر، مع درجة حرارة تحلل تبلغ 240 درجة مئوية. يبلغ مؤشر تهيجه لمحلول تركيزه 10% 5.0، ويتراوح معدل تحلله الميكروبي بين 80% و90%، وتتراوح قيمة LD50 بين 1300 و2500 ملغم/كغم.

يُختصر سلفونات ألفا أوليفين الصوديوم بالرمز AOS. عندما تتراوح نسبة المادة الفعالة بين 38% و40%، يظهر كسائل أصفر شفاف شديد الذوبان في الماء. يتميز بثباته الجيد ضمن نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني؛ فبعد تخزينه لمدة ثلاثة أيام عند درجة حرارة 30 درجة مئوية في قيم الرقم الهيدروجيني 2 و4 و10 على التوالي، يبقى معدل تحلله المائي صفراً في جميع الحالات. يُسبب تهيجاً طفيفاً للجلد، ويحقق معدل تحلل ميكروبي بنسبة 100%، وتبلغ قيمة الجرعة المميتة الوسطية (LD50) له من 1300 إلى 2400 ملغم/كغم.

عموماً، نادراً ما يُستخدم LAS في الشامبو وغسول الجسم، ويُستخدم بشكل رئيسي في منظفات الغسيل السائلة وسائل غسل الأطباق. في سائل غسل الأطباق، قد يُشكّل LAS ما يقارب نصف إجمالي المواد الخافضة للتوتر السطحي، بينما يُمكن تعديل نسبته في منظفات الغسيل السائلة ضمن نطاق عملي واسع.

يكتسب مركب LAS قابلية ذوبان جيدة في الماء، خاصةً عند درجات حرارة مرتفعة نسبيًا مثل 60 درجة مئوية، وعند مزجه مع بعض المواد الفعالة سطحيًا الأخرى. يُستخدم نظام المركب الثلاثي "LAS-AES-FFA" على نطاق واسع في سوائل غسل الأطباق، بينما يُستخدم نظام المركب "LAS-قاعدة الصابون-η·SAA" بشكل شائع في منظفات الغسيل السائلة. ومن الجدير بالذكر أن المزج المباشر لمركب LAS مع مادة ألكيلول أميد غير الأيونية الفعالة سطحيًا غالبًا ما يفشل في تحقيق النتائج المرجوة؛ إذ يكون نظام "LAS-FFA" غير مستقر، ذو لزوجة منخفضة، ويظهر بمظهر أبيض حليبي.

يحتل LAS المرتبة الأولى من حيث الإنتاج بحجم إنتاج سنوي يبلغ 290 كيلوطن، وهو أرخص المواد الخافضة للتوتر السطحي الاصطناعية. يتميز LAS بأقل سعر بين أفضل خمس مواد خافضة للتوتر السطحي اصطناعية عالية الإنتاج، ويُقارن سعره بسعر قواعد الصابون (صابون الأحماض الدهنية) من بين المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية التقليدية. يتميز LAS بثباته الممتاز، وقدرته العالية على التنظيف، وتكلفته المنخفضة، بينما يتمثل عيبه الرئيسي في تهيج الجلد بشكل ملحوظ.

من بين جميع المواد الخافضة للتوتر السطحي السلفوناتية، يُقدّم مركب AOS الأداء الأمثل الشامل. فهو يرث مزايا السلفونات العادية ويعززها، مع تجنب عيوبها المتأصلة. وباعتباره أحد المواد الخافضة للتوتر السطحي الأساسية، يُستخدم مركب AOS على نطاق واسع في الشامبو وغسول الجسم، وسيتوسع استخدامه في المنظفات السائلة الأخرى تدريجيًا مع زيادة الإنتاج المحلي وما يتبعه من انخفاض في السعر.

يتميز مركب AOS بمزايا استثنائية، منها استقراره الفائق، وذوبانه الممتاز في الماء، وتوافقه الجيد، وانخفاض تهيجه، وقابليته المثالية للتحلل الحيوي بواسطة الميكروبات. أما عيبه الرئيسي فهو ارتفاع سعره نسبياً مقارنةً بجميع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية الأخرى.

2.2 كبريتات المواد الفعالة السطحية الأنيونية

تشمل الأنواع الشائعة من هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي كبريتات إيثر بولي أوكسي إيثيلين الكحول الدهني وكبريتات دوديسيل الصوديوم.

كبريتات إيثر بولي أوكسي إيثيلين كحول الصوديوم الدهني، والمعروفة أيضًا باسم كبريتات إيثر الكحول، قابلة للذوبان بسهولة في الماء. عندما يصل محتوى المادة الفعالة إلى 70%، تظهر على شكل سائل لزج شفاف أصفر باهت، وتكون ثباتها أقل من ثبات السلفونات الشائعة. تخضع لتحلل مائي سريع عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أقل من 4، ومع ذلك تتميز بثبات ممتاز ضد التحلل المائي في البيئات القلوية. بعد تخزينها لمدة ثلاثة أيام عند 30 درجة مئوية في ظروف الرقم الهيدروجيني 2 و4 و10، تكون معدلات تحللها المائي 100% و50% و0 على التوالي. تتميز بانخفاض تهيجها، حيث يبلغ مؤشر التهيج 2.3 لمحلولها المائي بنسبة 10%، ومعدل تحلل بيولوجي يزيد عن 90%، وقيمة LD50 تبلغ 1800 ملغم/كغم.

كبريتات دوديسيل الصوديوم، والمعروفة اختصارًا بـ AS أو K12 أو كبريتات كوكو ألكيل الصوديوم أو كبريتات لوريل الصوديوم أو عامل الرغوة، قابلة للذوبان في الماء بنسبة ذوبان تبلغ حوالي 15 عند 25 درجة مئوية، وهي أقل من نسبة ذوبان كبريتات ألكيل الصوديوم (AES). وهي غير حساسة للقلويات والماء العسر، لكن ثباتها في الظروف الحمضية أضعف من ثبات السلفونات الشائعة وقريب من ثبات كبريتات ألكيل الصوديوم. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التسخين لفترات طويلة 95 درجة مئوية. تُصنف كبريتات دوديسيل الصوديوم ضمن المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات التهيج المتوسط؛ إذ يبلغ مؤشر التهيج لمحلولها بتركيز 10% 3.3، وهو أعلى من مؤشر تهيج كبريتات ألكيل الصوديوم وأقل من مؤشر تهيج كبريتات لوريل الصوديوم، وتبلغ قيمة الجرعة المميتة الوسطية (LD50) لها 1300 ملغم/كغم.

يُستخدم AES على نطاق واسع في الشامبو، وغسول الجسم، وسائل غسل الأطباق، وسائل غسيل الملابس. عمليًا، يُنصح برفع درجة الحموضة إلى مستوى متعادل أو قلوي ضعيف قدر الإمكان، إذا سمحت معايير الجودة ذات الصلة بذلك. عند استخدام AES في ظروف حموضة منخفضة، كما هو الحال في الشامبو، يُستخدم عادةً ملح الإيثانولامين. يتميز AES بذوبانية أفضل في الماء مقارنةً بـ AS، ويمكن تحضيره في محاليل مائية شفافة بأي نسبة في درجة حرارة الغرفة. بالمقارنة مع LAS، يتمتع AES بتطبيقات أوسع في المنظفات السائلة وتوافقية فائقة، حيث يمكن مزجه مع العديد من المواد الخافضة للتوتر السطحي في تركيبات ثنائية أو متعددة لتكوين محاليل مائية شفافة. من بين المواد الخافضة للتوتر السطحي الاصطناعية، يحتل AES المرتبة الثالثة من حيث الإنتاج بسعر أقل من AS؛ حيث بلغ سعر 70% من AES 8500 يوان للطن في عام 2002. تشمل مزاياه البارزة قلة التهيج، والذوبانية الجيدة في الماء، والتوافقية الممتازة، والفعالية الملحوظة في منع جفاف وخشونة الجلد. يكمن عيبه الرئيسي في ضعف استقراره في الأوساط الحمضية، مما يتطلب الحفاظ على قيمة الرقم الهيدروجيني أعلى بكثير من 4، كما أن قدرته على التنظيف أضعف من قدرة LAS و AS.

عند استخدام مادة AS في المنظفات السائلة، يجب ضبط درجة الحموضة لتجنب زيادة الحموضة. وتُعدّ أملاح الإيثانولامين أو أملاح الأمونيوم ضرورية لاستخدامها في الشامبو وغسول الجسم. ولا يُحسّن استخدام أملاح الإيثانولامين مقاومة الحموضة فحسب، بل يُقلّل أيضًا من التهيج، ويبلغ مؤشر التهيج لمحلول ملح ثلاثي إيثانولامين بتركيز 10% 3.0. نادرًا ما تُستخدم مادة AS في سائل غسل الأطباق، ونادرًا ما تُستخدم كمادة خافضة للتوتر السطحي أساسية بجرعات منخفضة في التركيبات، وذلك لأنها غير مناسبة لخفض تكاليف المنتج، ولأن هذه المنتجات لا تتطلب عادةً أداءً رغويًا عاليًا. يحتل AS المرتبة الخامسة في إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي الاصطناعية، ويتميز بسعر مرتفع نسبياً، حيث بلغ سعره في شكل مسحوق 15000 يوان للطن في عام 2002. وبصرف النظر عن قدرته الفائقة على تكوين الرغوة وقدرته القوية على التنظيف، فإن AS أقل كفاءة من AES في معظم خصائص الخدمة، مثل استقرار مقاومة الأحماض الأقل قليلاً والتهيج الأعلى نسبياً (أقل فقط من LAS)، كما أنه يتمتع بأعلى سعر بين المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية التقليدية.

3.المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية

تشمل الأنواع الرئيسية للمواد الفعالة سطحياً غير الأيونية: ألكيل أميد (FFA)، وإيثر بولي أوكسي إيثيلين الكحول الدهني (AE)، وإيثر بولي أوكسي إيثيلين ألكيل فينول (APE أو OP). تتميز هذه المواد بخصائص ممتازة، مثل الذوبان، والتنظيف، ومقاومة الكهرباء الساكنة، وانخفاض التهيج، وقدرة عالية على تشتيت صابون الجير. كما أنها تتمتع بنطاق pH أوسع من المواد الفعالة سطحياً الأيونية الشائعة، وتتفوق على المواد الفعالة سطحياً الأنيونية العادية في معظم الخصائص باستثناء التنظيف والقدرة على تكوين الرغوة. وقد أثبتت التجارب أن إضافة كمية صغيرة من المواد الفعالة سطحياً غير الأيونية إلى أنظمة المواد الفعالة سطحياً الأيونية يمكن أن يعزز النشاط السطحي الكلي عند مقارنتها بنفس محتوى المادة الفعالة.

تُعدّ الألكيلولاميدات موادًا خافضة للتوتر السطحي غير أيونية عالية الأداء، واسعة الاستخدام، وتُستخدم بكثرة في صناعة المنظفات السائلة. وتُعتبر نسبتا 2:1 و1.5:1 من الألكيلولاميدات الأكثر شيوعًا في المنظفات السائلة، كما تتوفر نسبة 1:1 أيضًا. وتختلف هذه النسب الثلاث اختلافًا كبيرًا في قابلية الذوبان في الماء وخصائص التكثيف. وبشكل عام، تتميز نسبة 1:5:1 بأداء متوسط، وتُستخدم على نطاق واسع في سائل غسل الأطباق. وعادةً ما تذوب هذه النسبة بسهولة فقط عند مزجها مع مواد خافضة للتوتر السطحي أخرى قابلة للذوبان في الماء. وتُعدّ الألكيلولاميدات أكثر ملاءمة للمنظفات القلوية، ويمكن استخدامها أيضًا في المنظفات الحمضية الضعيفة.

من بين جميع المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية، تُعدّ الألكيلولاميدات الأكثر فعالية من حيث التكلفة، حيث بلغ سعرها 7800 يوان للطن الواحد في عام 2002. وهي تُستخدم بكثرة في المنظفات السائلة أكثر من إيثرات بولي أوكسي إيثيلين الكحول الدهني، كما أنها تُعدّ المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية الرئيسية المستخدمة في الشامبو. وتتلخص الأسباب الرئيسية فيما يلي: تتمتع الألكيلولاميدات بوظائف أشمل وأفضل من إيثرات بولي أوكسي إيثيلين الكحول؛ سعرها أقل؛ تتميز بذوبانية أفضل؛ كما أنها تتمتع بقدرة رغوية أقوى مقارنةً بإيثرات بولي أوكسي إيثيلين الكحول.

4. المواد الفعالة بالسطح الأمفوتيرية

المواد الفعالة السطحية المذبذبة هي مواد فعالة سطحية تحتوي على مجموعات محبة للماء أنيونية وكاتيونية. وبناءً على ذلك، فإنها تُظهر خصائص كاتيونية في المحاليل الحمضية، وخصائص أنيونية في المحاليل القلوية، وخصائص مشابهة للمواد الفعالة السطحية غير الأيونية في المحاليل المتعادلة.

تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة بسهولة ذوبانها في الماء، والمحاليل الحمضية والقلوية المركزة، وحتى محاليل الأملاح غير العضوية المركزة. كما أنها تتمتع بمقاومة ممتازة للماء العسر، وتهيج طفيف للجلد، وقدرة فائقة على تنعيم الأقمشة، وخصائص مضادة للكهرباء الساكنة، وتأثير مبيد للجراثيم فعال، فضلاً عن توافقها الكبير مع مختلف أنواع المواد الخافضة للتوتر السطحي.

يمكن استخدام هذه المنتجات ضمن نطاق واسع من درجات الحموضة. ونظرًا لحالاتها الأيونية في بيئات حمضية-قاعدية مختلفة، فإنها تُظهر أداءً أفضل في الظروف الحمضية والمتعادلة مقارنةً بالظروف القلوية. وبشكل عام، تُعدّ المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة أغلى ثمنًا من المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية.

تشمل الأنواع الشائعة والمهمة من المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة دوديسيل ثنائي ميثيل بيتايين وإيميدازولين من نوع الكربوكسيلات. بالمقارنة مع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية، تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية بخصائص أشمل مع عيوب أقل، باستثناء قدرتها على التنظيف وتكوين الرغوة. عند مقارنتها بالمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية، تتفوق المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة في بعض الخصائص وتضاهيها في خصائص أخرى.

تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي الأمفوتيرية بقدرة رغوية أعلى من المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية العادية (بينما تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي AE بقدرة رغوية ضعيفة)، ونشاط مبيد للجراثيم فائق مقارنةً بالمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية والأيونية، وتأثيرات ترطيب أفضل. لهذا السبب، تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي الأمفوتيرية بشكل أساسي في الشامبو، ثم في منتجات تنظيف البشرة مثل غسول الجسم.

5. المواد الفعالة بالسطح الكاتيونية

تشمل الأنواع الشائعة من المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية كلوريد سيتيل ثنائي ميثيل الأمونيوم (1631)، وكلوريد أوكتاديسيل ثلاثي ميثيل الأمونيوم (1831)، وصمغ الغوار الكاتيوني (C-14S)، والبانثينول الكاتيوني، وزيت السيليكون الكاتيوني، وأكسيد دوديسيل ثنائي ميثيل أمين (OB-2) وما إلى ذلك.

في المنظفات السائلة، تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية كمواد مساعدة ومكونات مُرطبة بجرعات منخفضة. وتُستخدم عادةً في المنتجات الفاخرة، وخاصةً في الشامبو. لا يمكن مزج المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية مباشرةً مع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية. ورغم أن مزيج المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية والأنيونية قد يُحقق نتائج مثالية، إلا أنه ينطوي على مخاطر عالية للترسب والتبلور.

تُستخدم مجموعة واسعة من المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية في الشامبو، مع اختلاف معدلات استخدامها، ما يعني عدم وجود نوع واحد أو نوعين رئيسيين، وغالبًا ما تُضاف هذه المواد إلى تركيبات منتجات الترطيب النهائية. وتُمثل المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية نسبة صغيرة من إجمالي إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي، وعادةً ما تكون أغلى ثمنًا من الأنواع الأخرى.

بالمقارنة مع أنواع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأخرى، تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية بتأثيرها المرطب الأبرز ونشاطها المبيد للجراثيم الأقوى. ورغم عيوبها، كضعف قدرتها على التنظيف، وقلة قدرتها على تكوين الرغوة، وضعف توافقها مع البشرة، وتهيجها الشديد، وتكلفتها العالية، إلا أنها لا غنى عنها كمكون مرطب في المنظفات السائلة والشامبوهات عالية الجودة. ومن الجدير بالذكر أن المواد الخافضة للتوتر السطحي الكاتيونية تُستخدم فقط كمكون مرطب أو مبيد للجراثيم.