فهم المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة في مقال واحد - نوع الأحماض الأمينية ونوع البيتين

المواد الفعالة السطحية المذبذبة هي مواد فعالة سطحية تحتوي على مجموعات محبة للماء سالبة الشحنة ومجموعات محبة للماء موجبة الشحنة في الجزيء نفسه. وتتمثل أهم خصائصها في قدرتها على منح واستقبال البروتونات. وتتميز هذه المواد أثناء الاستخدام بالخصائص التالية: تتمتع المواد الفعالة السطحية المذبذبة عمومًا بأداء جيد في الغسيل والتشتيت والاستحلاب والتعقيم وتنعيم الألياف، بالإضافة إلى خصائص مضادة للكهرباء الساكنة، ويمكن استخدامها كمواد مساعدة في تشطيب الأقمشة، ومواد مساعدة في الصباغة، ومشتتات لصابون الكالسيوم، ومواد فعالة سطحية للتنظيف الجاف، ومثبطات لتآكل المعادن، وغيرها. كما تتميز بنعومة فائقة، وملمس أملس، وخصائص مضادة للكهرباء الساكنة للأقمشة؛ وخصائص مبيدة للجراثيم ومثبطة للعفن؛ وخصائص استحلاب وتشتيت جيدة. ومع ذلك، فإن هذا النوع من المواد الفعالة السطحية مكلف نسبيًا، ونطاق استخدامه الفعلي أصغر من نطاق أنواع أخرى من المواد الفعالة السطحية. وهي مادة فعالة سطحية معتدلة. على عكس المواد الفعالة السطحية الأنيونية أو الكاتيونية المفردة، تحتوي جزيئات المواد الفعالة السطحية المذبذبة على مجموعات حمضية وقاعدية في أحد طرفي الجزيء. تتكون المجموعات الحمضية في الغالب من مجموعات الكربوكسيل أو حمض السلفونيك أو الفوسفات، بينما تتكون المجموعات القاعدية من مجموعات الأمين أو الأمونيوم الرباعي. يمكن مزجها مع المواد الفعالة السطحية الأنيونية وغير الأيونية، وهي مقاومة للأحماض والقلويات والأملاح وأملاح المعادن القلوية الترابية.

تحتوي معظم المواد الفعالة السطحية الأمفوتيرية الاصطناعية شائعة الاستخدام حاليًا على مجموعات الكربوكسيلات كجزء أنيوني، بينما تحتوي قلة منها على مجموعات السلفونات؛ أما أجزاؤها الكاتيونية فهي في الغالب أملاح الأمين أو أملاح الأمونيوم الرباعية. تُسمى تلك التي تحتوي على أملاح الأمين كجزء كاتيون بنوع الأحماض الأمينية، بينما تُسمى تلك التي تحتوي على أملاح الأمونيوم الرباعية كجزء كاتيون بنوع البيتين.

1. نوع الأحماض الأمينية

المحلول المائي للمواد الفعالة سطحياً المذبذبة من نوع الأحماض الأمينية قلوي. عند إضافة حمض الهيدروكلوريك ببطء مع التحريك، لا يحدث أي تغيير حتى يصبح المحلول متعادلاً. يتكون راسب عندما يصبح المحلول حمضياً قليلاً. إذا أُضيف المزيد من حمض الهيدروكلوريك لجعل المحلول حمضياً بشدة، يذوب الراسب مرة أخرى. يشير هذا إلى أنه يتصرف كمادة فعالة سطحياً أنيونية في بيئة قلوية وكمادة فعالة سطحياً كاتيونية في بيئة حمضية. مع ذلك، عندما تتوازن الخصائص الكاتيونية والأنيونية تماماً عند نقطة التعادل الكهربائي، تقل خاصية محبة الماء، مما يؤدي إلى تكوين راسب. الأنيون في الجزيء هو مجموعة كربوكسيل، والكاتيون هو ملح أمونيوم. يُظهر هذا النوع من المواد الفعالة سطحياً أنشطة سطحية مختلفة مع تغيرات الرقم الهيدروجيني للوسط. على سبيل المثال، يمكن تحويل حمض دوديسيل أمينوبروبيونيك (C12H25N+H2CH2CH2COO-) إلى دوديسيل أمينوبروبيونات الصوديوم (C12H25NHCH2CH2COO-Na+) في وسط هيدروكسيد الصوديوم، حيث يعمل كعامل سطحي أنيوني قابل للذوبان في الماء. وفي وسط حمض الهيدروكلوريك، يمكن تحويله إلى ملح هيدروكلوريد حمض دوديسيل أمينوبروبيونيك [(C12H25N+H2CH2CH2COOH)Cl-]، والذي يعمل كعامل سطحي كاتيون قابل للذوبان في الماء. إذا تم ضبط الرقم الهيدروجيني للوسط بحيث تتوازن الشحنات الموجبة والسالبة تمامًا، فإنه يتحول إلى ملح داخلي (C12H25N+H2CH2CH2COO-)، وهو قليل الذوبان في الماء ويترسب. يُطلق على الرقم الهيدروجيني عند هذه النقطة اسم نقطة التعادل الكهربائي. لتحقيق التأثير الكامل للمواد الفعالة سطحياً الأمفوتيرية من نوع الأحماض الأمينية، يجب استخدامها في محاليل مائية ذات درجة حموضة تختلف عن نقطة التعادل الكهربائي. تشمل المواد الخام الشائعة المستخدمة في تحضير هذه المواد الأمينات الأولية الأليفاتية العليا، وميثيل أكريلات (انظر إسترات الأكريلات)، وأكريلونيتريل، وحمض الكلورواسيتيك.

1. Bنوع الإيتين

تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي الأمفوتيرية من نوع البيتين بخاصية الذوبان في المحاليل المائية، سواء كانت حمضية أو متعادلة أو قلوية. ولا تترسب حتى عند نقطة التعادل الكهربائي. إضافةً إلى ذلك، تتمتع بخصائص جيدة كالنفاذية والتنظيف ومقاومة الكهرباء الساكنة. لذا، فهي تُعدّ مستحلبات ومُليّنات ممتازة.

كاربوكسي بيتايين

الأنيون في الجزيء هو مجموعة كربوكسيل، والكاتيون هو مجموعة أمونيوم رباعية. على سبيل المثال، ألكيل ثنائي ميثيل بيتايين [RN+(CH3)2CH2COO-]، حيث تحتوي مجموعة الألكيل R على 12 إلى 18 ذرة كربون. بالمقارنة مع أنواع الأحماض الأمينية، يمكن لأنواع البيتايين أن تذوب في الماء في الأوساط الحمضية أو المتعادلة أو القاعدية، ولا تترسب حتى عند نقطة التعادل الكهربائي، لذا يمكن استخدامها في المحاليل المائية بأي درجة حموضة. في الأوساط الحمضية، عندما تكون درجة حموضة نقطة التعادل الكهربائي منخفضة، يتصرف البيتايين كعامل سطحي كاتيونى قابل للذوبان في الماء [[RN+(CH3)2CH2COOH]Cl-]؛ أما في الأوساط المتعادلة أو القاعدية، أي عندما تكون درجة الحموضة مساوية أو أعلى من درجة حموضة نقطة التعادل الكهربائي، فإنه يتصرف كعامل سطحي أمفوتيري قابل للذوبان في الماء ولا يتصرف كعامل سطحي أنيوني. تميل المواد الفعالة السطحية المذبذبة إلى تكوين رواسب مع المواد الفعالة السطحية الأنيونية فقط في الأوساط الحمضية. ويمكن استخدامها مع أي نوع من المواد الفعالة السطحية في أوساط ذات قيم أس هيدروجيني مختلفة. تشمل المواد الخام الشائعة المستخدمة في تحضير المواد الفعالة السطحية المذبذبة من نوع البيتين أمينات ألكيل ثنائي ميثيل ثالثية وكلورو أسيتات الصوديوم، وغيرها.

سلفوبيتين

المجموعة الأنيونية في الجزيء هي مجموعة السلفو (SO3-)، والمجموعة الكاتيونية هي مجموعة الأمونيوم الرباعية. من المركبات الشائعة الاستخدام: ألكيل ثنائي ميثيل سلفونيثيل بيتايين [RN+(CH3)2CH2CH2SO3-] وألكيل ثنائي ميثيل سلفوبروبيل بيتايين [RN+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-]. يتراوح عدد ذرات الكربون في مجموعة الألكيل R في الصيغ من 12 إلى 18 ذرة. تتميز السلفوبيتايينات بخصائص شاملة؛ فهي لا تقتصر على امتلاك جميع مزايا البيتايينات العادية فحسب، بل تتمتع أيضًا بمزايا فريدة مثل مقاومتها للتركيزات العالية من الأحماض والقلويات والأملاح. حاليًا، يُستخدم هيدروكسي سلفوبروبيل [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2SO3-] كبديل للسلفوبروبيل بيتايينات، التي تُنتج مواد ضارة بجسم الإنسان أثناء عملية التصنيع. بفضل احتوائها على مجموعات أنيونية وكاتيونية مع مجموعات هيدروكسيل في تركيبها، لا تتمتع هذه المواد بمزايا المواد الفعالة سطحياً المذبذبة فحسب، بل تُظهر أيضاً مقاومةً عاليةً للتركيزات العالية من الأحماض والقلويات والأملاح، وخصائص استحلاب وتشتيت ومضادة للكهرباء الساكنة ممتازة، فضلاً عن خصائص مبيدة للجراثيم والفطريات، وخصائص لزجة مرنة. إنها مواد فعالة سطحياً ذات أداء شامل ممتاز، وقد استُخدمت على نطاق واسع في مجالات متنوعة مثل المواد الكيميائية اليومية، وإزاحة النفط في حقول النفط، والتكسير الهيدروليكي، والمعالجة الحمضية.

البيتين الفوسفوليبيدي

المجموعة الأنيونية في الجزيء هي مجموعة الفوسفات (HPO4-)، والمجموعة الكاتيونية هي مجموعة الأمونيوم الرباعية. على سبيل المثال، ألكيل ثنائي ميثيل هيدروكسي بروبيل فوسفات بيتايين [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2HPO4-]، حيث تحتوي مجموعة الألكيل R على 12 إلى 18 ذرة كربون. يحدد هذا التركيب امتلاكه لخصائص ممتازة للمواد الفعالة بالسطح المذبذبة، مثل قابلية التبلل، والتنظيف، والإذابة، والاستحلاب، والتشتيت، ومقاومة الكهرباء الساكنة، والثبات الحراري، بالإضافة إلى التوافق الجيد، وانخفاض التهيج، ومزايا تفوق المواد الفعالة بالسطح الأنيونية العامة، مثل مقاومة أفضل للقلويات، ومقاومة أفضل للإلكتروليتات، ومقاومة أفضل للكهرباء الساكنة، فضلاً عن قدرة عالية على تشتيت صابون الكالسيوم، وانخفاض التوتر السطحي، وأداء رغوي ممتاز.