Kostutuskyky, vaatimus: HLB: 7-9
Kostutus määritellään ilmiöksi, jossa kiinteälle pinnalle adsorboitunut kaasu syrjäytyy nesteen vaikutuksesta. Aineita, jotka voivat parantaa tätä syrjäytyskykyä, kutsutaan kostutusaineiksi. Kostutus luokitellaan yleensä kolmeen tyyppiin: kosketuskostutus (adheesiokostutus), upotuskostutus (improvisaatiokostutus) ja leviämiskostutus (leviäminen). Näistä leviäminen edustaa kostuttamisen korkeinta tasoa, ja leviämiskerrointa käytetään usein indikaattorina eri järjestelmien kostutuskyvyn arvioimiseksi. Lisäksi kosketuskulma on myös kriteeri kostuttamisen laadun arvioimiseksi. Pinta-aktiivisia aineita voidaan käyttää nestemäisen ja kiinteän faasin välisen kostutusasteen säätämiseen.
Torjunta-aineteollisuudessa jotkut rakeiset valmisteet ja pölytettävät jauheet sisältävät myös tietyn määrän pinta-aktiivisia aineita. Niiden tarkoituksena on parantaa torjunta-aineen tarttumista ja laskeutumismäärää kohdepinnalle, nopeuttaa vapautumisnopeutta ja laajentaa aktiivisten ainesosien leviämisaluetta kosteissa olosuhteissa, mikä parantaa tautien ehkäisyn ja hoidon tehokkuutta.
Kosmetiikkateollisuudessa pinta-aktiiviset aineet toimivat emulgointiaineina ja ovat välttämättömiä ainesosia ihonhoitotuotteissa, kuten voiteissa, emulsioissa, kasvojenpuhdistusaineissa ja meikinpoistoaineissa.
Misellit ja liukeneminen,vaatimukset: C > CMC (HLB 13–18)
Pienin pitoisuus, jossa pinta-aktiiviset molekyylit yhdistyvät miselleiksi. Kun pitoisuus ylittää CMC-arvon, pinta-aktiiviset molekyylit järjestäytyvät pallomaisiksi, sauvamaisiksi, lamellimaisiksi tai levymäisiksi rakenteiksi.
Liukoisuusjärjestelmät ovat termodynaamisia tasapainojärjestelmiä. Mitä alhaisempi CMC ja mitä korkeampi assosiaatioaste, sitä suurempi on lisäaineiden maksimipitoisuus (MAC). Lämpötilan vaikutus liukenemiseen näkyy kolmessa suhteessa: se vaikuttaa misellien muodostumiseen, liukenevien aineiden liukoisuuteen ja itse pinta-aktiivisten aineiden liukoisuuteen. Ionisten pinta-aktiivisten aineiden liukoisuus kasvaa jyrkästi lämpötilan noustessa, ja lämpötilaa, jossa tämä äkillinen nousu tapahtuu, kutsutaan Krafftin pisteeksi. Mitä korkeampi Krafftin piste on, sitä alhaisempi on kriittinen misellien pitoisuus.
Polyoksietyleeni-ioniaktiivisten pinta-aktiivisten aineiden liukoisuus laskee jyrkästi lämpötilan noustessa tiettyyn tasoon ja tapahtuu saostumista, jolloin liuos sameutuu. Tätä ilmiötä kutsutaan sameutumiseksi, ja vastaavaa lämpötilaa kutsutaan samepisteeksi. Saman polyoksietyleeniketjun pituuden omaavilla pinta-aktiivisilla aineilla mitä pidempi hiilivetyketju on, sitä alhaisempi on samepiste; päinvastoin, saman hiilivetyketjun pituuden omaavilla pinta-aktiivisilla aineilla mitä pidempi polyoksietyleeniketju on, sitä korkeampi on samepiste.
Poolittomat orgaaniset aineet (esim. bentseeni) liukenevat veteen hyvin huonosti. Pinta-aktiivisten aineiden, kuten natriumoleaatin, lisääminen voi kuitenkin parantaa merkittävästi bentseenin liukoisuutta veteen – tätä prosessia kutsutaan liukenemiseksi. Liukeneminen eroaa tavallisesta liuottamisesta: liuennut bentseeni ei ole tasaisesti dispergoitunut vesimolekyyleihin, vaan se on loukussa oleaatti-ionien muodostamien misellien sisällä. Röntgendiffraktiotutkimukset ovat vahvistaneet, että kaikenlaiset misellit laajenevat vaihtelevassa määrin liukenemisen jälkeen, kun taas koko liuoksen kolligatiiviset ominaisuudet pysyvät suurelta osin muuttumattomina.
Kun pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus vedessä kasvaa, pinta-aktiivisten aineiden molekyylit kerääntyvät nesteen pinnalle muodostaen tiiviisti pakatun, suuntautuneen monomolekyylisen kerroksen. Ylimääräiset molekyylit perusfaasissa aggregoituvat hydrofobisten ryhmiensä osoittaessa sisäänpäin muodostaen misellejä. Misellien muodostumisen aloittamiseen tarvittavaa pienintä pitoisuutta kutsutaan kriittiseksi misellipitoisuudeksi (CMC). Tässä pitoisuudessa liuos poikkeaa ihanteellisesta käyttäytymisestä, ja pintajännitys-pitoisuus-käyrään ilmestyy selkeä käännepiste. Pinta-aktiivisen aineen pitoisuuden lisääminen ei enää vähennä pintajännitystä, vaan edistää misellien jatkuvaa kasvua ja lisääntymistä perusfaasissa.
Kun pinta-aktiivisen aineen molekyylit dispergoituvat liuokseen ja saavuttavat tietyn pitoisuuskynnyksen, ne yhdistyvät yksittäisistä monomeereistä (ioneista tai molekyyleistä) kolloidisiksi aggregaateiksi, joita kutsutaan miselleiksi. Tämä muutos laukaisee äkillisiä muutoksia liuoksen fysikaalisissa ja kemiallisissa ominaisuuksissa, ja pitoisuus, jossa tämä tapahtuu, on CMC. Misellien muodostumisprosessia kutsutaan misellien muodostumiseksi.
Misellien muodostuminen pinta-aktiivisten aineiden vesiliuoksissa on pitoisuudesta riippuva prosessi. Erittäin laimeissa liuoksissa vesi ja ilma ovat lähes suorassa kosketuksessa, joten pintajännitys laskee vain hieman ja pysyy lähellä puhtaan veden tasoa, ja perusfaasiin on hajallaan hyvin vähän pinta-aktiivisia molekyylejä. Kun pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus kasvaa kohtalaisesti, molekyylit adsorboituvat nopeasti veden pintaan, mikä pienentää veden ja ilman välistä kosketuspinta-alaa ja aiheuttaa pintajännityksen jyrkän laskun. Samaan aikaan jotkut pinta-aktiivisten aineiden molekyylit perusfaasissa aggregoituvat hydrofobisten ryhmiensä kanssa järjestäytyneinä muodostaen pieniä misellejä.
Kun konsentraatio jatkaa nousuaan ja liuos saavuttaa kyllästymisadsorption, nesteen pinnalle muodostuu tiheästi pakattu monomolekyylinen kalvo. Kun konsentraatio saavuttaa CMC:n, liuoksen pintajännitys saavuttaa minimiarvonsa. CMC:n yläpuolella pinta-aktiivisen aineen pitoisuuden lisääminen tuskin vaikuttaa pintajännitykseen; sen sijaan se lisää misellien määrää ja kokoa bulkkifaasissa. Liuoksessa hallitsevat tällöin misellit, jotka toimivat mikroreaktoreina nanojauheiden synteesissä. Konsentraation jatkuvasti noustessa systeemi siirtyy vähitellen nestekiteiseen tilaan.
Kun pinta-aktiivisen vesiliuoksen pitoisuus saavuttaa CMC:n (kalsiumin vuorovaikutuskeskittymä), misellien muodostuminen tulee huomattavaksi pitoisuuden kasvaessa. Tälle on ominaista käännepiste pintajännityksen ja logaritmisen pitoisuuden käyrässä (γ–log c -käyrä) sekä epäideaalisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien ilmaantuminen liuoksessa.
Ioniset pinta-aktiiviset misellit kantavat suuria pintavarauksia. Sähköstaattisen vetovoiman vuoksi vastaionit vetävät puoleensa misellin pintaa, neutraloiden osan positiivisista ja negatiivisista varauksista. Kun misellit kuitenkin muodostavat erittäin varautuneita rakenteita, vastaionien muodostaman ionisen ilmakehän hidastusvoima kasvaa merkittävästi – tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää nanojauheiden dispergoituvuuden säätämiseen. Näistä kahdesta syystä liuoksen ekvivalenttijohtavuus pienenee nopeasti pitoisuuden kasvaessa CMC:n ulkopuolella, mikä tekee tästä kohdasta luotettavan menetelmän pinta-aktiivisten aineiden kriittisen misellipitoisuuden määrittämiseen.
Ionisten pinta-aktiivisten misellien rakenne on tyypillisesti pallomainen ja koostuu kolmesta osasta: ytimestä, kuoresta ja diffuusista sähköisestä kaksoiskerroksesta. Ydin koostuu hydrofobisista hiilivetyketjuista, jotka ovat samanlaisia kuin nestemäiset hiilivedyt, ja joiden halkaisija vaihtelee noin 1–2,8 nm:n välillä. Polaaristen pääryhmien vieressä olevat metyleeniryhmät (-CH₂-) ovat osittain polaarisia, ja ne pidättävät joitakin vesimolekyylejä ytimen ympärillä. Siten miselliydin sisältäähuomattava määrä loukkuun jäänyttä vettä, eivätkä nämä -CH₂-ryhmät ole täysin integroituneet nestemäiseen hiilivetyytimeen, vaan muodostavat osan ei-nestemäisestä misellikuoresta.
Misellikuori tunnetaan myös miselli-vesi-rajapinnana tai pintafaasina. Se ei viittaa misellien ja veden väliseen makroskooppiseen rajapintaan, vaan pikemminkin misellien ja monomeerisen vesipitoisen pinta-aktiivisen aineen liuoksen väliseen alueeseen. Ionisten pinta-aktiivisten aineiden misellien kuoren muodostaa sähköisen kaksoiskerroksen sisimmäinen Stern-kerros (tai kiinteä adsorptiokerros), jonka paksuus on noin 0,2–0,3 nm. Kuori sisältää pinta-aktiivisten aineiden ionisten pääryhmien ja osan sitoutuneista vastaioneista lisäksi hydraatiokerroksen, joka johtuu näiden ionien hydraatiosta. Misellikuori ei ole sileä pinta, vaan pikemminkin "karkea" rajapinta, joka on seurausta pinta-aktiivisten aineiden monomeerimolekyylien lämpöliikkeen aiheuttamista vaihteluista.
Vedettömissä (öljypohjaisissa) väliaineissa, joissa öljymolekyylit ovat vallitsevia, pinta-aktiivisten aineiden hydrofiiliset ryhmät aggregoituvat sisäänpäin muodostaen polaarisen ytimen, kun taas hydrofobiset hiilivetyketjut muodostavat misellin ulkokuoren. Tämän tyyppisellä misellillä on käänteinen rakenne verrattuna perinteisiin vesipitoisiin miselleihin, ja sitä kutsutaan siksi käänteiseksi miselliksi; sitä vastoin vedessä muodostuneita misellejä kutsutaan normaaleiksi miselleiksi. Kuva 4 esittää kaavamaisen mallin pinta-aktiivisten aineiden muodostamista käänteisistä miselleistä vedettömissä liuoksissa. Viime vuosina käänteisiä misellejä on käytetty laajalti nanomittakaavan lääkeaineiden kantajien synteesissä ja valmistuksessa, erityisesti hydrofiilisten lääkkeiden kapselointiin.
Julkaisun aika: 26.12.2025