Amfoteersete pindaktiivsete ainete mõistmine ühes artiklis — aminohapete tüüp ja betaiini tüüp

Amfoteersed pindaktiivsed ained on pindaktiivsed ained, mis sisaldavad samas molekulis nii anioonseid hüdrofiilseid kui ka katioonseid hüdrofiilseid rühmi. Nende kõige olulisem omadus on see, et nad saavad nii prootoneid annetada kui ka vastu võtta. Neil on kasutamisel järgmised omadused: amfoteersetel pindaktiivsetel ainetel on üldiselt head pesemis-, dispergeerimis-, emulgeerimis-, steriliseerimis-, kiudude pehmendamise ja antistaatilise toimega omadused ning neid saab kasutada kanga viimistluse abiainetena, värvimise abiainetena, kaltsiumseebi dispergeerivate ainetena, keemilise puhastuse pindaktiivsete ainetena ja metalli korrosiooni inhibiitoritena jne. Neil on suurepärane pehmus, siledus ja antistaatilised omadused kangaste jaoks; teatud bakteritsiidsed ja hallitust pärssivad omadused; ning head emulgeerivad ja dispergeerivad omadused. Seda tüüpi pindaktiivsed ained on aga suhteliselt kallid ja nende tegelik kasutusala on väiksem kui teist tüüpi pindaktiivsetel ainetel. See on mahe pindaktiivne aine. Erinevalt üksikutest anioonsetest või katioonsetest pindaktiivsetest ainetest on amfoteersete pindaktiivsete ainete molekulidel molekuli ühes otsas nii happelised kui ka aluselised rühmad. Happelised rühmad on enamasti karboksüül-, sulfoonhappe- või fosfaatrühmad, samas kui aluselised rühmad on amino- või kvaternaarsed ammooniumrühmad. Neid saab segada anioonsete ja mitteioonsete pindaktiivsete ainetega ning nad on vastupidavad hapetele, leelistele, sooladele ja leelismuldmetallide sooladele.

Praegu tavaliselt kasutatavatel sünteetilistel amfoteersetel pindaktiivsetel ainetel on anioonseteks osadeks enamasti karboksülaatrühmad, vähestel aga sulfonaatrühmad; nende katioonsed osad on enamasti amiinsoolad või kvaternaarsed ammooniumsoolad. Neid, mille katioonseks osaks on amiinsoolad, nimetatakse aminohappe tüüpi aineteks; neid, mille katioonseks osaks on kvaternaarsed ammooniumsoolad, nimetatakse betaiini tüüpi aineteks.

1. Aminohappe tüüp

Aminohappe tüüpi amfoteersete pindaktiivsete ainete vesilahus on aluseline. Kui vesinikkloriidhapet aeglaselt ja segades lisatakse, siis lahuse neutraalseks muutumisel muutusi ei toimu. Kui lahus muutub kergelt happeliseks, tekib sadens. Kui lisatakse rohkem vesinikkloriidhapet, et muuta lahus tugevalt happeliseks, lahustub sade uuesti. See näitab, et see käitub aluselises keskkonnas anioonse pindaktiivse ainena ja happelises keskkonnas katioonse pindaktiivse ainena. Kui katioonsed ja anioonsed omadused on isoelektrilises punktis aga täpselt tasakaalus, siis hüdrofiilsus väheneb, mille tulemuseks on saendi moodustumine. Molekulis olev anioon on karboksüülrühm ja katioon on ammooniumsool. Seda tüüpi pindaktiivsel ainel on erinev pindaktiivsus vastavalt keskkonna pH muutumisele. Näiteks dodetsüülaminopropioonhapet (C12H25N+H2CH2CH2COO-) saab naatriumhüdroksiidi keskkonnas muuta naatriumdodetsüülaminopropionaadiks (C12H25NHCH2CH2COO-Na+), mis käitub vees lahustuva anioonse pindaktiivse ainena. Vesinikkloriidhappe keskkonnas saab seda muuta dodetsüülaminopropioonhappe vesinikkloriidsoolaks [(C12H25N+H2CH2CH2COOH)Cl-], mis toimib vees lahustuva katioonse pindaktiivse ainena. Kui keskkonna pH-d reguleerida nii, et positiivsed ja negatiivsed laengud oleksid täpselt tasakaalus, muutub see sisesoolaks (C12H25N+H2CH2CH2COO-), mis lahustub vees halvasti ja sadestub välja. Selle punkti pH-d nimetatakse isoelektriliseks punktiks. Aminohappe tüüpi amfoteersete pindaktiivsete ainete täieliku mõju avaldumiseks tuleb neid kasutada vesilahustes, mille pH erineb isoelektrilisest punktist. Aminohappe tüüpi amfoteersete pindaktiivsete ainete valmistamisel kasutatavate tavaliste toorainete hulka kuuluvad kõrgemad alifaatsed primaarsed amiinid, metüülakrülaat (vt akrülaadi estrid), akrüülnitriil ja kloroäädikhape.

1. Betaiini tüüp

Betaiini tüüpi amfoteersetel pindaktiivsetel ainetel on suurim omadus lahustuvus vesilahustes, olenemata sellest, kas need on happelised, neutraalsed või aluselised. Nad ei sadestu isegi isoelektrilises punktis. Lisaks on neil ka head omadused, nagu läbilaskvus, pesemisvõime ja antistaatiline toime. Seetõttu on nad head emulgaatorid ja pehmendajad.

Karboksübetaiin

Molekulis olev anioon on karboksüülrühm ja katioon on kvaternaarne ammooniumrühm. Näiteks alküüldimetüülbetaiin [RN+(CH3)2CH2COO-], kus alküülrühmal R on 12 kuni 18 süsinikuaatomit. Võrreldes aminohapete tüüpidega võivad betaiini tüübid lahustuda vees happelises, neutraalses või aluselises keskkonnas ega sadestuda isegi isoelektrilisel punktil, seega saab neid kasutada mis tahes pH-ga vesilahustes. Happelises keskkonnas, kui isoelektrilise punkti pH on madalam, käitub see vees lahustuva katioonse pindaktiivse ainena [[RN+(CH3)2CH2COOH]Cl-]; neutraalses või aluselises keskkonnas, st kui pH on võrdne või kõrgem isoelektrilisest punktist, käitub see vees lahustuva amfoteerse pindaktiivse ainena ja ei käitu anioonse pindaktiivse ainena. Amfoteersed pindaktiivsed ained kipuvad anioonsete pindaktiivsete ainetega sadestuma ainult happelises keskkonnas. Neid saab kasutada koos mis tahes tüüpi pindaktiivse ainega erineva pH väärtusega keskkondades. Betaiini tüüpi amfoteersete pindaktiivsete ainete valmistamisel kasutatavate tavaliste toorainete hulka kuuluvad alküüldimetüültertsiaarsed amiinid ja naatriumkloroatsetaat jne.

Sulfobetaiin

Molekulis olev anioonne rühm on sulforühm (SO3-) ja katioonne rühm on kvaternaarne ammooniumrühm. Tavaliselt kasutatakse alküüldimetüülsulfonetüülbetaine [RN+(CH3)2CH2CH2SO3-] ja alküüldimetüülsulfopropüülbetaine [RN+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-]. Süsiniku aatomite arv alküülrühmas R valemites on vahemikus 12 kuni 18. Sulfobetaiinidel on laiaulatuslikud omadused; neil pole mitte ainult kõik tavaliste betaiinide eelised, vaid ka ainulaadsed eelised, näiteks vastupidavus hapete, leeliste ja soolade kõrgetele kontsentratsioonidele. Praegu kasutatakse hüdroksüsulfopropüüli [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2SO3-] sulfopropüülbetainide asendamiseks, mille tootmisel tekivad inimkehale kahjulikud ained. Kuna nende struktuuris on nii anioonseid kui ka katioonseid hüdroksüülrühmi sisaldavaid rühmi, on neil lisaks amfoteersete pindaktiivsete ainete eelistele ka vastupidavus hapete, leeliste ja soolade kõrgetele kontsentratsioonidele, head emulgeerivad, dispergeerivad ja antistaatilised omadused, samuti bakteritsiidsed, seenevastased ja viskoelastsed omadused. Need on suurepärase üldise jõudlusega pindaktiivsed ained, mida on laialdaselt kasutatud erinevates valdkondades, näiteks igapäevastes kemikaalides, naftaväljade nafta väljatõrjumisel, purustamisel ja hapestamisel.

Fosfolipiidbetaiin

Molekulis olev anioonne rühm on fosfaatrühm (HPO4-) ja katioonne rühm on kvaternaarne ammooniumrühm. Näiteks alküüldimetüülhüdroksüpropüülfosfaatbetaiin [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2HPO4-], kus alküülrühmal R on 12–18 süsinikuaatomit. See struktuur määrab, et sellel pole mitte ainult amfoteersete pindaktiivsete ainete suurepärased omadused, nagu märguvus, pesemisvõime, lahustuvus, emulgeerimis- ja dispergeerimisvõime, antistaatiline omadus, termiline stabiilsus, aga ka hea ühilduvus, madal ärritus ja eelised tavaliste anioonsete pindaktiivsete ainete ees, nagu parem leeliskindlus, elektrolüütide vastupidavus ja antistaatiline omadus, vaid ka tugev kaltsiumseebi dispergeeruvus, madal pindpinevus ja suurepärane vahutavus.