כמה אתה יודע על השפעות ההרטבה והמסיסות של חומרים פעילי שטח

אפקט הרטבה, דרישה: HLB: 7-9

הרטבה מוגדרת כתופעה שבה גז הנספג על משטח מוצק נדחק על ידי נוזל. חומרים שיכולים לשפר את קיבולת הדחיקה הזו נקראים חומרי הרטבה. הרטבה מסווגת בדרך כלל לשלושה סוגים: הרטבה במגע (הרטבה הידבקותית), הרטבה בטבילה (הרטבה טבילה) והרטבה מתפשטת (הרטבה). מבין אלה, התפשטות מייצגת את הסטנדרט הגבוה ביותר של הרטבה, ומקדם ההתפשטות משמש לעתים קרובות כאינדיקטור להערכת ביצועי ההרטבה בין מערכות שונות. בנוסף, זווית המגע היא גם קריטריון לשיפוט איכות ההרטבה. ניתן להשתמש בחומרים פעילי שטח כדי לשלוט במידת ההרטבה בין פאזות נוזליות למוצקות.

בתעשיית חומרי ההדברה, חלק מהפורמולציות הגרגיריות והאבקות המאפשרות אבק מכילות גם כמות מסוימת של חומרים פעילי שטח. מטרתם היא לשפר את ההידבקות והשקיעה של חומר ההדברה על פני השטח, להאיץ את קצב השחרור ולהרחיב את שטח הפיזור של החומרים הפעילים בתנאים לחים, ובכך לשפר את יעילות המניעה והטיפול במחלות.

בתעשיית הקוסמטיקה, חומרים פעילי שטח משמשים כמתחלבים והם מרכיבים הכרחיים במוצרי טיפוח לעור כגון קרמים, תחליבים, תכשירי ניקוי לפנים ומסירי איפור.

מיצלות ומסיסות,דרישות: C > CMC (HLB 13–18)

הריכוז המינימלי שבו מולקולות חומר פעיל שטח מתחברות ליצירת מיצלות. כאשר הריכוז עולה על ערך ה-CMC, מולקולות חומר פעיל שטח מסדרות את עצמן למבנים כגון תצורות כדוריות, מוטיות, למלריות או לוחיות.

מערכות מסיסות הן מערכות שיווי משקל תרמודינמיות. ככל שריכוז ה-CMC נמוך יותר ומידת האסוציאציה גבוהה יותר, כך ריכוז התוסף המקסימלי (MAC) גדול יותר. השפעת הטמפרטורה על המסיסות באה לידי ביטוי בשלושה היבטים: היא משפיעה על היווצרות המיצלות, על מסיסות המסיסים ועל מסיסות החומרים הפעילי שטח עצמם. עבור חומרים פעילי שטח יוניים, מסיסותם עולה בחדות עם עליית הטמפרטורה, והטמפרטורה שבה מתרחשת עלייה פתאומית זו נקראת נקודת קראפט. ככל שנקודת קראפט גבוהה יותר, כך ריכוז המיצלות הקריטי נמוך יותר.

עבור חומרים פעילי שטח לא-יוניים מפוליאוקסיאתילן, כאשר הטמפרטורה עולה לרמה מסוימת, מסיסותם יורדת בחדות ומתרחש משקעים, מה שגורם לתמיסה להפוך עכורה. תופעה זו ידועה כעכירות, והטמפרטורה המתאימה נקראת נקודת עכירות. עבור חומרים פעילי שטח בעלי אורך שרשרת פוליאוקסיאתילן זהה, ככל ששרשרת הפחמימנים ארוכה יותר, כך נקודת העכירות נמוכה יותר; לעומת זאת, עם אורך שרשרת פחמימנים זהה, ככל ששרשרת הפוליאוקסיאתילן ארוכה יותר, כך נקודת העכירות גבוהה יותר.

לחומרים אורגניים לא קוטביים (למשל, בנזן) יש מסיסות נמוכה מאוד במים. עם זאת, הוספת חומרים פעילי שטח כמו נתרן אולאט יכולה לשפר משמעותית את מסיסות הבנזן במים - תהליך הנקרא מסיסות. מסיסות שונה מהמסה רגילה: הבנזן המומס אינו מפוזר באופן אחיד במולקולות המים אלא לכוד בתוך המיצלות הנוצרות על ידי יוני אולאט. מחקרי דיפרקציית קרני רנטגן אישרו שכל סוגי המיצלות מתרחבות בדרגות שונות לאחר המסיסות, בעוד שתכונות הקוליגציה של התמיסה הכוללת נותרות ללא שינוי רב.

ככל שריכוז החומרים הפעילי שטח במים עולה, מולקולות חומר פעיל שטח מצטברות על פני הנוזל ויוצרות שכבה חד-מולקולרית צפופה ומאורגנת. עודפי מולקולות בשלב הנפח מתקבצים כאשר הקבוצות ההידרופוביות שלהן פונות פנימה ויוצרות מיצלות. הריכוז המינימלי הנדרש להתחלת היווצרות מיצלות מוגדר כריכוז המיצלות הקריטי (CMC). בריכוז זה, התמיסה סוטה מהתנהגות אידיאלית, ונקודת מפנה ברורה מופיעה על עקומת מתח הפנים לעומת הריכוז. הגדלה נוספת של ריכוז החומר הפעיל שטח לא תפחית עוד את מתח הפנים; במקום זאת, היא תקדם את הצמיחה והריבוי המתמשכים של מיצלות בשלב הנפח.

כאשר מולקולות של חומר פעיל שטח מתפזרות בתמיסה ומגיעות לסף ריכוז מסוים, הן מתחברות ממונומרים בודדים (יונים או מולקולות) לצברים קולואידיים הנקראים מיצלות. מעבר זה גורם לשינויים פתאומיים בתכונות הפיזיקליות והכימיות של התמיסה, והריכוז שבו זה מתרחש הוא CMC. תהליך היווצרות המיצלות מכונה מיצליזציה.

היווצרותן של מיצלות בתמיסות מימיות של חומרים פעילי שטח היא תהליך תלוי ריכוז. בתמיסות מדוללות מאוד, מים ואוויר נמצאים כמעט במגע ישיר, כך שמתח הפנים יורד רק במעט, ונשאר קרוב לזה של מים טהורים, כאשר מעט מאוד מולקולות חומרים פעילי שטח מפוזרות בשלב הנפח. ככל שריכוז חומר הפעילי שטח עולה במידה מתונה, המולקולות נספחות במהירות על פני המים, מה שמקטין את שטח המגע בין מים לאוויר וגורם לירידה חדה במתח הפנים. בינתיים, חלק מהמולקולות של חומרים פעילי שטח בשלב הנפח מצטברות כאשר הקבוצות ההידרופוביות שלהן מיושרות, ויוצרות מיצלות קטנות.

ככל שהריכוז ממשיך לעלות והתמיסה מגיעה למצב ספיחה רוויה, נוצר שכבה חד-מולקולרית צפופה על פני הנוזל. כאשר הריכוז מגיע למצב גבישי נוזלי (CMC), מתח הפנים של התמיסה מגיע לערכו המינימלי. מעבר ל-CMC, עלייה נוספת בריכוז החומר הפעיל שטח בקושי משפיעה על מתח הפנים; במקום זאת, היא מגדילה את מספר וגודל המיצלים בשלב המלא. התמיסה נשלטת לאחר מכן על ידי מיצלות, המשמשות כמיקרו-ריאקטורים בסינתזה של ננו-אבקה. עם עלייה מתמשכת בריכוז, המערכת עוברת בהדרגה למצב גבישי נוזלי.

כאשר ריכוז תמיסת חומר פעיל שטח מימית מגיע ל-CMC, היווצרות מיצלות הופכת בולטת עם הריכוז העולה. מצב זה מאופיין בנקודת מפנה בעקומת מתח הפנים לעומת ריכוז לוגריתמי (עקומת γ-log c), יחד עם הופעתן של תכונות פיזיקליות וכימיות לא אידיאליות בתמיסה.

מיצלות של חומרים פעילי שטח יוניים נושאות מטענים גבוהים על פני השטח. עקב משיכה אלקטרוסטטית, יונים נגדיים נמשכים אל פני השטח של המיצלה, ומנטרלים חלק מהמטענים החיוביים והשליליים. עם זאת, ברגע שהמיקלות יוצרות מבנים בעלי מטען גבוה, כוח העכבה של האטמוספרה היונית שנוצרת על ידי יונים נגדיים עולה משמעותית - תכונה שניתן לנצל כדי להתאים את פיזור הננו-אבקה. משתי סיבות אלה, המוליכות המקבילה של התמיסה פוחתת במהירות עם העלייה בריכוז מעבר ל-CMC, מה שהופך נקודה זו לשיטה אמינה לקביעת ריכוז המיצלה הקריטי של חומרים פעילי שטח.

המבנה של מיצלות פעילי שטח יוניים הוא בדרך כלל כדורי, המורכב משלושה חלקים: ליבה, קליפה ושכבה כפולה חשמלית מפושטת. הליבה מורכבת משרשראות פחמימנים הידרופוביות, בדומה לפחמימנים נוזליים, בקוטר הנע בין 1 ל-2.8 ננומטר בקירוב. קבוצות המתילן (-CH₂-) הסמוכות לקבוצות הראש הקוטביות הן בעלות קוטביות חלקית, ושומרות על כמה מולקולות מים סביב הליבה. לפיכך, ליבת המיצלה מכילהכמות ניכרת של מים לכודים, וקבוצות -CH₂- אלו אינן משולבות במלואן בליבת הפחמימנים דמוית הנוזל, אלא מהוות חלק מקליפת המיצלה הלא נוזלית.

קליפת המיצלה ידועה גם כממשק מיצלה-מים או פאזה פני השטח. היא אינה מתייחסת לממשק המקרוסקופי בין מיצלות למים, אלא לאזור שבין מיצלות לתמיסת חומר פעיל שטח מימית מונומרית. עבור מיצלות פעיל שטח יוניות, הקליפה נוצרת על ידי שכבת שטרן הפנימית ביותר (או שכבת ספיחה קבועה) של השכבה הכפולה החשמלית, בעובי של כ-0.2 עד 0.3 ננומטר. הקליפה מכילה לא רק את קבוצות הראש היוניות של חומרים פעילי שטח וחלק מיונים נגדיים קשורים, אלא גם שכבת הידרציה עקב הידרציה של יונים אלה. קליפת המיצלה אינה משטח חלק אלא ממשק "מחוספס", תוצאה של תנודות הנגרמות על ידי תנועה תרמית של מולקולות מונומר של חומר פעיל שטח.

במדיום לא מימי (מבוסס שמן), שבו מולקולות שמן שולטות, הקבוצות ההידרופיליות של חומרים פעילי שטח מצטברות פנימה ויוצרות ליבה קוטבית, בעוד ששרשראות הפחמימנים ההידרופוביות יוצרות את המעטפת החיצונית של המיצלה. לסוג זה של מיצלה מבנה הפוך בהשוואה למיצלות מימיות קונבנציונליות ולכן נקרא מיצלה הפוכה; לעומת זאת, מיצלות הנוצרות במים נקראות מיצלות רגילות. איור 4 מציג מודל סכמטי של מיצלות הפוכות הנוצרות על ידי חומרים פעילי שטח בתמיסות לא מימיות. בשנים האחרונות, מיצלות הפוכות נמצאות בשימוש נרחב בסינתזה ובהכנת נשאי תרופות בקנה מידה ננומטרי, במיוחד לאנקפסולציה של תרופות הידרופיליות.