સર્ફેક્ટન્ટ્સની ભીનાશ અને દ્રાવ્યતા અસરો વિશે તમે કેટલું જાણો છો?

ભીનાશની અસર, જરૂરિયાત: HLB: 7-9

ભીનાશ એ એવી ઘટના તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જ્યાં ઘન સપાટી પર શોષાયેલો ગેસ પ્રવાહી દ્વારા વિસ્થાપિત થાય છે. આ વિસ્થાપન ક્ષમતાને વધારી શકે તેવા પદાર્થોને ભીનાશક એજન્ટ કહેવામાં આવે છે. ભીનાશને સામાન્ય રીતે ત્રણ પ્રકારોમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે: સંપર્ક ભીનાશ (એડહેશનલ ભીનાશ), નિમજ્જન ભીનાશ (ઇમર્સનલ ભીનાશ), અને ફેલાવો ભીનાશ (સ્પ્રેડિંગ). આમાંથી, ફેલાવો ભીનાશના ઉચ્ચતમ ધોરણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, અને ફેલાવો ગુણાંક ઘણીવાર વિવિધ સિસ્ટમો વચ્ચે ભીનાશ પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે સૂચક તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. વધુમાં, સંપર્ક કોણ પણ ભીનાશની ગુણવત્તા નક્કી કરવા માટે એક માપદંડ છે. પ્રવાહી અને ઘન તબક્કાઓ વચ્ચે ભીનાશની ડિગ્રીને નિયંત્રિત કરવા માટે સર્ફેક્ટન્ટ્સનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.

જંતુનાશક ઉદ્યોગમાં, કેટલાક દાણાદાર ફોર્મ્યુલેશન અને ડસ્ટેબલ પાવડરમાં ચોક્કસ માત્રામાં સર્ફેક્ટન્ટ્સ પણ હોય છે. તેમનો હેતુ લક્ષ્ય સપાટી પર જંતુનાશકના સંલગ્નતા અને જમાવટની માત્રામાં સુધારો કરવાનો, પ્રકાશન દરને વેગ આપવાનો અને ભેજવાળી સ્થિતિમાં સક્રિય ઘટકોના ફેલાવાના ક્ષેત્રને વિસ્તૃત કરવાનો છે, જેનાથી રોગ નિવારણ અને સારવારની અસરકારકતામાં વધારો થાય છે.

કોસ્મેટિક્સ ઉદ્યોગમાં, સર્ફેક્ટન્ટ્સ ઇમલ્સિફાયર તરીકે કાર્ય કરે છે અને ક્રીમ, લોશન, ફેશિયલ ક્લીન્ઝર અને મેકઅપ રીમુવર જેવા સ્કિનકેર ઉત્પાદનોમાં અનિવાર્ય ઘટકો છે.

માઇકેલ્સ અને દ્રાવ્યીકરણ,આવશ્યકતાઓ: C > CMC (HLB 13–18)

લઘુત્તમ સાંદ્રતા કે જેના પર સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ માઇસેલ્સ બનાવવા માટે જોડાય છે. જ્યારે સાંદ્રતા CMC મૂલ્ય કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ પોતાને ગોળાકાર, સળિયા જેવા, લેમેલર અથવા પ્લેટ જેવા રૂપરેખાંકનો જેવા માળખામાં ગોઠવે છે.

દ્રાવ્યીકરણ પ્રણાલીઓ થર્મોડાયનેમિક સંતુલન પ્રણાલીઓ છે. CMC જેટલું ઓછું અને જોડાણની ડિગ્રી જેટલી વધારે, મહત્તમ ઉમેરણ સાંદ્રતા (MAC) વધારે. દ્રાવ્યીકરણ પર તાપમાનની અસર ત્રણ પાસાઓમાં પ્રતિબિંબિત થાય છે: તે માઇકેલ રચના, દ્રાવ્યતાઓની દ્રાવ્યતા અને સર્ફેક્ટન્ટ્સની દ્રાવ્યતાને પ્રભાવિત કરે છે. આયનીય સર્ફેક્ટન્ટ્સ માટે, વધતા તાપમાન સાથે તેમની દ્રાવ્યતા ઝડપથી વધે છે, અને જે તાપમાને આ અચાનક વધારો થાય છે તેને ક્રાફ્ટ બિંદુ કહેવામાં આવે છે. ક્રાફ્ટ બિંદુ જેટલું ઊંચું, નિર્ણાયક માઇકેલ સાંદ્રતા ઓછી.

પોલીઓક્સિઇથિલિન નોનિયોનિક સર્ફેક્ટન્ટ્સ માટે, જ્યારે તાપમાન ચોક્કસ સ્તર સુધી વધે છે, ત્યારે તેમની દ્રાવ્યતામાં તીવ્ર ઘટાડો થાય છે અને વરસાદ પડે છે, જેના કારણે દ્રાવણ વાદળછાયું બને છે. આ ઘટનાને ક્લાઉડિંગ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, અને તેને અનુરૂપ તાપમાનને ક્લાઉડ પોઇન્ટ કહેવામાં આવે છે. સમાન પોલીઓક્સિઇથિલિન સાંકળ લંબાઈવાળા સર્ફેક્ટન્ટ્સ માટે, હાઇડ્રોકાર્બન સાંકળ જેટલી લાંબી હોય છે, તેટલો વાદળ બિંદુ ઓછો હોય છે; તેનાથી વિપરીત, સમાન હાઇડ્રોકાર્બન સાંકળ લંબાઈવાળા, પોલીઓક્સિઇથિલિન સાંકળ જેટલી લાંબી હોય છે, તેટલો વાદળ બિંદુ વધારે હોય છે.

બિનધ્રુવીય કાર્બનિક પદાર્થો (દા.ત., બેન્ઝીન) પાણીમાં ખૂબ જ ઓછી દ્રાવ્યતા ધરાવે છે. જોકે, સોડિયમ ઓલિએટ જેવા સર્ફેક્ટન્ટ્સ ઉમેરવાથી પાણીમાં બેન્ઝીનની દ્રાવ્યતા નોંધપાત્ર રીતે વધી શકે છે - એક પ્રક્રિયા જેને દ્રાવ્યીકરણ કહેવાય છે. દ્રાવ્યીકરણ સામાન્ય વિસર્જનથી અલગ છે: દ્રાવ્ય બેન્ઝીન પાણીના અણુઓમાં એકસરખી રીતે વિખેરાયેલું નથી પરંતુ ઓલિએટ આયનો દ્વારા રચાયેલા માઇસેલ્સમાં ફસાયેલું છે. એક્સ-રે વિવર્તન અભ્યાસોએ પુષ્ટિ આપી છે કે દ્રાવ્યીકરણ પછી તમામ પ્રકારના માઇસેલ્સ વિવિધ ડિગ્રી સુધી વિસ્તરે છે, જ્યારે એકંદર દ્રાવણના કોલિગેટિવ ગુણધર્મો મોટાભાગે યથાવત રહે છે.

પાણીમાં સર્ફેક્ટન્ટ્સની સાંદ્રતા વધવાથી, સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ પ્રવાહી સપાટી પર એકઠા થાય છે જેથી એક નજીકથી ભરેલા, લક્ષી મોનોમોલેક્યુલર સ્તર બને છે. બલ્ક તબક્કામાં વધારાના અણુઓ તેમના હાઇડ્રોફોબિક જૂથો સાથે અંદરની તરફ મુખ રાખીને ભેગા થાય છે, જે માઇસેલ્સ બનાવે છે. માઇસેલ્સ રચના શરૂ કરવા માટે જરૂરી ન્યૂનતમ સાંદ્રતાને ક્રિટિકલ માઇસેલ્સ સાંદ્રતા (CMC) તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. આ સાંદ્રતા પર, દ્રાવણ આદર્શ વર્તણૂકથી વિચલિત થાય છે, અને સપાટી તણાવ વિરુદ્ધ સાંદ્રતા વળાંક પર એક અલગ ઇન્ફ્લેક્શન બિંદુ દેખાય છે. સર્ફેક્ટન્ટ સાંદ્રતામાં વધુ વધારો કરવાથી સપાટી તણાવ ઓછો થશે નહીં; તેના બદલે, તે બલ્ક તબક્કામાં માઇસેલ્સની સતત વૃદ્ધિ અને ગુણાકારને પ્રોત્સાહન આપશે.

જ્યારે સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ દ્રાવણમાં વિખેરાઈ જાય છે અને ચોક્કસ સાંદ્રતા થ્રેશોલ્ડ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેઓ વ્યક્તિગત મોનોમર્સ (આયનો અથવા પરમાણુઓ) માંથી માઇસેલ્સ નામના કોલોઇડલ એગ્રીગેટ્સમાં જોડાય છે. આ સંક્રમણ દ્રાવણના ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોમાં અચાનક ફેરફારોને ઉત્તેજિત કરે છે, અને જે સાંદ્રતા પર આ થાય છે તે CMC છે. માઇસેલ રચનાની પ્રક્રિયાને માઇસેલાઇઝેશન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

જલીય સર્ફેક્ટન્ટ દ્રાવણમાં માઇસેલ્સનું નિર્માણ એક સાંદ્રતા-આધારિત પ્રક્રિયા છે. અત્યંત પાતળા દ્રાવણમાં, પાણી અને હવા લગભગ સીધા સંપર્કમાં હોય છે, તેથી સપાટી તણાવ ફક્ત થોડો ઘટે છે, શુદ્ધ પાણીની નજીક રહે છે, બલ્ક તબક્કામાં ખૂબ ઓછા સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ વિખેરાયેલા હોય છે. જેમ જેમ સર્ફેક્ટન્ટ સાંદ્રતા સાધારણ રીતે વધે છે, તેમ પરમાણુઓ પાણીની સપાટી પર ઝડપથી શોષાય છે, પાણી અને હવા વચ્ચેના સંપર્ક ક્ષેત્રને ઘટાડે છે અને સપાટી તણાવમાં તીવ્ર ઘટાડો થાય છે. દરમિયાન, બલ્ક તબક્કામાં કેટલાક સર્ફેક્ટન્ટ પરમાણુઓ તેમના હાઇડ્રોફોબિક જૂથો સાથે સંરેખિત થાય છે, નાના માઇસેલ્સ બનાવે છે.

જેમ જેમ સાંદ્રતા વધતી રહે છે અને દ્રાવણ સંતૃપ્તિ શોષણ સુધી પહોંચે છે, તેમ પ્રવાહી સપાટી પર એક ગીચતાથી ભરેલી મોનોમોલેક્યુલર ફિલ્મ બને છે. જ્યારે સાંદ્રતા CMC સુધી પહોંચે છે, ત્યારે દ્રાવણનું સપાટી તણાવ તેના ન્યૂનતમ મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે. CMC ઉપરાંત, સર્ફેક્ટન્ટ સાંદ્રતામાં વધુ વધારો સપાટી તણાવને ભાગ્યે જ અસર કરે છે; તેના બદલે, તે બલ્ક તબક્કામાં માઇસેલ્સની સંખ્યા અને કદમાં વધારો કરે છે. ત્યારબાદ દ્રાવણમાં માઇસેલ્સનું પ્રભુત્વ હોય છે, જે નેનોપાવડરના સંશ્લેષણમાં માઇક્રોરિએક્ટર તરીકે સેવા આપે છે. સતત સાંદ્રતામાં વધારો સાથે, સિસ્ટમ ધીમે ધીમે પ્રવાહી સ્ફટિકીય સ્થિતિમાં સંક્રમિત થાય છે.

જ્યારે જલીય સર્ફેક્ટન્ટ દ્રાવણની સાંદ્રતા CMC સુધી પહોંચે છે, ત્યારે વધતી સાંદ્રતા સાથે માઇસેલ્સનું નિર્માણ મુખ્ય બને છે. આ સપાટીના તણાવ વિરુદ્ધ લોગ સાંદ્રતા વળાંક (γ–લોગ c વળાંક) માં વળાંક બિંદુ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, સાથે દ્રાવણમાં બિન-આદર્શ ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોના ઉદભવ સાથે.

આયોનિક સર્ફેક્ટન્ટ માઇસેલ્સ ઉચ્ચ સપાટી ચાર્જ ધરાવે છે. ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક આકર્ષણને કારણે, કાઉન્ટરિયન્સ માઇસેલ સપાટી તરફ આકર્ષાય છે, જે હકારાત્મક અને નકારાત્મક ચાર્જના ભાગને તટસ્થ કરે છે. જો કે, એકવાર માઇસેલ્સ ખૂબ ચાર્જ થયેલ માળખાં બનાવે છે, ત્યારે કાઉન્ટરિયન્સ દ્વારા રચાયેલ આયનીય વાતાવરણનું રિટાર્ડિંગ બળ નોંધપાત્ર રીતે વધે છે - એક ગુણધર્મ જેનો ઉપયોગ નેનોપાવડરની વિક્ષેપનને સમાયોજિત કરવા માટે કરી શકાય છે. આ બે કારણોસર, CMC ની બહાર વધતી સાંદ્રતા સાથે દ્રાવણની સમકક્ષ વાહકતા ઝડપથી ઘટે છે, જે આ બિંદુને સર્ફેક્ટન્ટ્સની નિર્ણાયક માઇસેલ સાંદ્રતા નક્કી કરવા માટે એક વિશ્વસનીય પદ્ધતિ બનાવે છે.

આયનીય સર્ફેક્ટન્ટ માઇસેલ્સનું માળખું સામાન્ય રીતે ગોળાકાર હોય છે, જેમાં ત્રણ ભાગો હોય છે: એક કોર, એક શેલ અને એક વિખરાયેલ ઇલેક્ટ્રિક ડબલ લેયર. કોર હાઇડ્રોફોબિક હાઇડ્રોકાર્બન સાંકળોથી બનેલો છે, જે પ્રવાહી હાઇડ્રોકાર્બન જેવા જ છે, જેનો વ્યાસ આશરે 1 થી 2.8 nm સુધીનો છે. ધ્રુવીય હેડ જૂથોને અડીને આવેલા મિથિલિન જૂથો (-CH₂-) આંશિક ધ્રુવીયતા ધરાવે છે, જે કોરની આસપાસ કેટલાક પાણીના અણુઓને જાળવી રાખે છે. આમ, માઇસેલ કોરમાંનોંધપાત્ર પ્રમાણમાં ફસાયેલા પાણી સાથે, અને આ -CH₂- જૂથો પ્રવાહી જેવા હાઇડ્રોકાર્બન કોરમાં સંપૂર્ણપણે સંકલિત નથી, પરંતુ તેના બદલે બિન-પ્રવાહી માઇકેલ શેલનો ભાગ બનાવે છે.

માઇસેલ શેલને માઇસેલ-વોટર ઇન્ટરફેસ અથવા સપાટીના તબક્કા તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. તે માઇસેલ અને પાણી વચ્ચેના મેક્રોસ્કોપિક ઇન્ટરફેસનો ઉલ્લેખ કરતું નથી, પરંતુ માઇસેલ અને મોનોમેરિક જલીય સર્ફેક્ટન્ટ દ્રાવણ વચ્ચેના પ્રદેશનો ઉલ્લેખ કરે છે. આયનીય સર્ફેક્ટન્ટ માઇસેલ માટે, શેલ ઇલેક્ટ્રિક ડબલ લેયરના સૌથી અંદરના સ્ટર્ન લેયર (અથવા ફિક્સ્ડ શોષણ સ્તર) દ્વારા રચાય છે, જેની જાડાઈ લગભગ 0.2 થી 0.3 nm હોય છે. શેલમાં માત્ર સર્ફેક્ટન્ટ્સના આયનીય હેડ જૂથો અને બાઉન્ડ કાઉન્ટરિયન્સનો એક ભાગ જ નહીં પરંતુ આ આયનોના હાઇડ્રેશનને કારણે હાઇડ્રેશન સ્તર પણ હોય છે. માઇસેલ શેલ એક સરળ સપાટી નથી પરંતુ "ખરબચડી" ઇન્ટરફેસ છે, જે સર્ફેક્ટન્ટ મોનોમર પરમાણુઓની થર્મલ ગતિને કારણે થતી વધઘટનું પરિણામ છે.

બિન-જલીય (તેલ-આધારિત) માધ્યમોમાં, જ્યાં તેલના અણુઓનું વર્ચસ્વ હોય છે, ત્યાં સર્ફેક્ટન્ટ્સના હાઇડ્રોફિલિક જૂથો અંદરની તરફ ભેગા થઈને ધ્રુવીય કોર બનાવે છે, જ્યારે હાઇડ્રોફોબિક હાઇડ્રોકાર્બન સાંકળો માઇસેલના બાહ્ય શેલ બનાવે છે. આ પ્રકારના માઇસેલમાં પરંપરાગત જલીય માઇસેલની તુલનામાં વિપરીત રચના હોય છે અને તેથી તેને રિવર્સ માઇસેલ કહેવામાં આવે છે; તેનાથી વિપરીત, પાણીમાં બનેલા માઇસેલને સામાન્ય માઇસેલ કહેવામાં આવે છે. આકૃતિ 4 બિન-જલીય દ્રાવણમાં સર્ફેક્ટન્ટ્સ દ્વારા રચાયેલા રિવર્સ માઇસેલનું એક યોજનાકીય મોડેલ દર્શાવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, નેનોસ્કેલ ડ્રગ કેરિયર્સના સંશ્લેષણ અને તૈયારીમાં, ખાસ કરીને હાઇડ્રોફિલિક દવાઓના એન્કેપ્સ્યુલેશન માટે, રિવર્સ માઇસેલનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.