Amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden ymmärtäminen yhdessä artikkelissa — aminohappotyyppi ja betaiinityyppi

Amfoteeriset pinta-aktiiviset aineet ovat pinta-aktiivisia aineita, jotka sisältävät sekä anionisia hydrofiilisiä ryhmiä että kationisia hydrofiilisiä ryhmiä samassa molekyylissä. Niiden merkittävin ominaisuus on, että ne voivat sekä luovuttaa että vastaanottaa protoneja. Niillä on käytössä seuraavat ominaisuudet: Amfoteerisilla pinta-aktiivisilla aineilla on yleensä hyvä suorituskyky pesussa, dispergoinnissa, emulgointiaineissa, steriloinnissa, kuitujen pehmentämisessä ja antistaattisuuden estäjinä, ja niitä voidaan käyttää kankaiden viimeistelyn apuaineina, värjäyksen apuaineina, kalsiumsaippuan dispergointiaineina, kuivapesun pinta-aktiivisina aineina ja metallien korroosionestoaineina jne. Niillä on erinomainen pehmeys, sileys ja antistaattiset ominaisuudet kankaille; tiettyjä bakteereja tappavia ja homeenestoaineita; sekä hyvät emulgointi- ja dispergointiominaisuudet. Tämän tyyppinen pinta-aktiivinen aine on kuitenkin suhteellisen kallis, ja sen todellinen käyttöalue on pienempi kuin muuntyyppisten pinta-aktiivisten aineiden. Se on mieto pinta-aktiivinen aine. Toisin kuin yksittäiset anioniset tai kationiset pinta-aktiiviset aineet, amfoteerisilla pinta-aktiivisilla molekyyleillä on sekä happamia että emäksisiä ryhmiä molekyylin toisessa päässä. Happamat ryhmät ovat enimmäkseen karboksyyli-, sulfonihappo- tai fosfaattiryhmiä, kun taas emäksiset ryhmät ovat amino- tai kvaternäärisiä ammoniumryhmiä. Niitä voidaan sekoittaa anionisten ja ionittomien pinta-aktiivisten aineiden kanssa, ja ne kestävät happoja, emäksiä, suoloja ja maa-alkalimetallien suoloja.

Nykyään yleisesti käytetyissä synteettisissä amfoteerisissa pinta-aktiivisissa aineissa on enimmäkseen karboksylaattiryhmiä anionisina osina, ja muutamissa on sulfonaattiryhmiä; niiden kationiset osat ovat enimmäkseen amiinisuoloja tai kvaternäärisiä ammoniumsuoloja. Niitä, joiden kationinen osa on amiinisuola, kutsutaan aminohappotyyppisiksi; niitä, joiden kationinen osa on kvaternäärinen ammoniumsuola, kutsutaan betaiinityyppisiksi.

1. Aminohappotyyppi

Aminohappotyyppisten amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden vesiliuos on emäksinen. Kun suolahappoa lisätään hitaasti sekoittaen, liuoksen neutraalius ei muutu. Sakka muodostuu, kun liuos muuttuu hieman happamaksi. Jos suolahappoa lisätään enemmän liuoksen tekemiseksi vahvasti happamaksi, sakka liukenee uudelleen. Tämä osoittaa, että se käyttäytyy anionisena pinta-aktiivisena aineena emäksisessä ympäristössä ja kationisena pinta-aktiivisena aineena happamassa ympäristössä. Kuitenkin, kun kationiset ja anioniset ominaisuudet ovat täysin tasapainossa isoelektrisessä pisteessä, hydrofiilisyys vähenee, mikä johtaa sakan muodostumiseen. Molekyylin anioni on karboksyyliryhmä ja kationi on ammoniumsuola. Tämän tyyppisellä pinta-aktiivisella aineella on erilaisia ​​pinta-aktiivisuuksia väliaineen pH:n muuttuessa. Esimerkiksi dodekyyliaminopropionihappo (C12H25N+H2CH2CH2COO-) voidaan muuntaa natriumdodekyyliaminopropionaatiksi (C12H25NHCH2CH2COO-Na+) natriumhydroksidiväliaineessa, jolloin se käyttäytyy vesiliukoisena anionisena pinta-aktiivisena aineena. Suolahappoliuoksessa se voidaan muuntaa dodekyyliaminopropaanihapon [(C12H25N+H2CH2CH2COOH)Cl-] hydrokloridisuolaksi, joka käyttäytyy vesiliukoisena kationisena pinta-aktiivisena aineena. Jos liuottimen pH säädetään siten, että positiiviset ja negatiiviset varaukset ovat täsmälleen tasapainossa, se muuttuu sisäiseksi suolaksi (C12H25N+H2CH2CH2COO-), joka liukenee huonosti veteen ja saostuu. Tämän pisteen pH-arvoa kutsutaan isoelektriseksi pisteeksi. Jotta aminohappotyyppisten amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden vaikutus olisi täydellinen, niitä on käytettävä vesiliuoksissa, joiden pH poikkeaa isoelektrisestä pisteestä. Yleisiä aminohappotyyppisten amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden valmistuksessa käytettyjä raaka-aineita ovat korkeammat alifaattiset primaariset amiinit, metyyliakrylaatti (ks. akrylaattiesterit), akrylonitriili ja kloorietikkahappo.

1. Betaiinityyppi

Betaiinityyppisten amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden merkittävin ominaisuus on niiden liukoisuus vesiliuoksiin, olivatpa ne sitten happamia, neutraaleja tai emäksisiä. Ne eivät saostu edes isoelektrisessä pisteessä. Lisäksi niillä on hyviä ominaisuuksia, kuten läpäisevyys, pesukyky ja antistaattinen suorituskyky. Siksi ne ovat hyviä emulgointiaineita ja pehmentimiä.

Karboksibetaiini

Molekyylin anioni on karboksyyliryhmä ja kationi on kvaternäärinen ammoniumryhmä. Esimerkiksi alkyylidimetyylibetaiini [RN+(CH3)2CH2COO-], jossa alkyyliryhmässä R on 12–18 hiiliatomia. Aminohappotyyppeihin verrattuna betaiinityypit voivat liueta veteen happamassa, neutraalissa tai emäksisessä väliaineessa eivätkä saostu edes isoelektrisessä pisteessä, joten niitä voidaan käyttää vesiliuoksissa missä tahansa pH-arvossa. Happamassa väliaineessa, kun isoelektrisen pisteen pH on alhaisempi, se käyttäytyy vesiliukoisena kationisena pinta-aktiivisena aineena [[RN+(CH3)2CH2COOH]Cl-]; neutraalissa tai emäksisessä väliaineessa, eli kun pH on yhtä suuri tai korkeampi kuin isoelektrinen piste, se käyttäytyy vesiliukoisena amfoteerisena pinta-aktiivisena aineena eikä anionisena pinta-aktiivisena aineena. Amfoteeriset pinta-aktiiviset aineet muodostavat saostumia anionisten pinta-aktiivisten aineiden kanssa vain happamassa väliaineessa. Niitä voidaan käyttää yhdessä minkä tahansa tyyppisen pinta-aktiivisen aineen kanssa eri pH-arvoissa olevissa väliaineissa. Yleisiä betaiinityyppisten amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden valmistuksessa käytettyjä raaka-aineita ovat alkyylidimetyyli-tertiääriset amiinit ja natriumklooriasetaatti jne.

Sulfobetaiini

Molekyylin anioninen ryhmä on sulforyhmä (SO3-) ja kationinen ryhmä on kvaternäärinen ammoniumryhmä. Yleisesti käytettyjä ovat alkyylidimetyylisulfonetyylibetaiinit [RN+(CH3)2CH2CH2SO3-] ja alkyylidimetyylisulfopropyylibetaiinit [RN+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-]. Kaavoissa alkyyliryhmän R hiiliatomien lukumäärä vaihtelee 12:sta 18:aan. Sulfobetaiineilla on kattavat ominaisuudet; niillä ei ole ainoastaan ​​kaikki tavallisten betaiinien edut, vaan myös ainutlaatuisia etuja, kuten kestävyys korkeille happo-, emäs- ja suolapitoisuuksille. Tällä hetkellä hydroksisulfopropyyliä [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2SO3-] käytetään korvaamaan sulfopropyylibetaiinit, jotka tuottavat tuotannon aikana ihmiskeholle haitallisia aineita. Koska niiden rakenteessa on sekä anionisia että kationisia ryhmiä, joissa on hydroksyyliryhmiä, niillä on paitsi kaikki amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden edut, myös kestävyys korkeille happojen, emästen ja suolojen pitoisuuksille, hyvät emulgointi-, dispergointi- ja antistaattiset ominaisuudet sekä bakteereja tappavat, antifungaaliset ja viskoelastiset ominaisuudet. Ne ovat pinta-aktiivisia aineita, joilla on erinomainen yleinen suorituskyky, ja niitä on käytetty laajalti eri aloilla, kuten päivittäiskemikaaleissa, öljykenttien öljyn syrjäytyksessä, murtamisessa ja hapottamisessa.

Fosfolipidibetaiini

Molekyylin anioninen ryhmä on fosfaattiryhmä (HPO4-) ja kationinen ryhmä on kvaternäärinen ammoniumryhmä. Esimerkiksi alkyylidimetyylihydroksipropyylifosfaattibetaiini [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2HPO4-], jossa alkyyliryhmässä R on 12–18 hiiliatomia. Tämä rakenne määrittää, että sillä ei ole ainoastaan ​​amfoteeristen pinta-aktiivisten aineiden erinomaiset ominaisuudet, kuten kostuvuus, pesukyky, liukenevuus, emulgointi- ja dispergointiominaisuudet, antistaattinen ominaisuus, terminen stabiilius, sekä hyvä yhteensopivuus, vähäinen ärsytys ja etuja yleisiin anionisiin pinta-aktiivisiin aineisiin verrattuna, kuten parempi alkalinkestävyys, elektrolyyttien kestävyys ja antistaattinen ominaisuus, vaan sillä on myös vahva kalsiumsaippuan dispergoituvuus, alhainen pintajännitys ja erinomainen vaahtoamiskyky.