הבנת חומרים פעילי שטח אמפוטריים במאמר אחד - סוג חומצות אמינו וסוג בטאין

חומרים פעילי שטח אמפוטריים הם חומרים פעילי שטח המכילים גם קבוצות הידרופיליות אניוניות וגם קבוצות הידרופיליות קטיוניות באותה מולקולה. המאפיין המשמעותי ביותר שלהם הוא שהם יכולים גם לתרום וגם לקבל פרוטונים. יש להם את המאפיינים הבאים במהלך השימוש: לחומרים פעילי שטח אמפוטריים יש בדרך כלל ביצועים טובים בכביסה, פיזור, אמולסיה, עיקור, ריכוך סיבים ואנטיסטטיות, וניתן להשתמש בהם כעוזרי גימור בדים, כעוזרי צביעה, מפזרים סבון סידן, חומרים פעילי שטח לניקוי יבש ומעכבי קורוזיה של מתכות וכו'. יש להם תכונות רכות, חלקות ואנטי-סטטיות מצוינות לבדים; תכונות חיידקיות ועיכוב עובש מסוימות; ותכונות אמולסיה ופיזור טובות. עם זאת, סוג זה של חומר פעיל שטח יקר יחסית, וטווח היישום בפועל שלו קטן יותר מזה של סוגים אחרים של חומרים פעילי שטח. זהו חומר פעיל שטח עדין. שלא כמו חומרים פעילי שטח אניוניים או קטיוניים בודדים, למולקולות פעילי שטח אמפוטריות יש גם קבוצות חומציות וגם קבוצות בסיסיות בקצה אחד של המולקולה. הקבוצות החומציות הן בעיקר קבוצות קרבוקסיליות, חומצה סולפונית או פוספט, בעוד שהקבוצות הבסיסיות הן קבוצות אמינו או אמוניום רביעוני. ניתן לערבב אותן עם חומרים פעילי שטח אניוניים ולא יוניים והן עמידות בפני חומצות, בסיסים, מלחים ומלחי מתכות אדמה אלקליות.

כיום, חומרים פעילי שטח אמפוטריים סינתטיים הנמצאים בשימוש נפוץ כוללים בעיקר קבוצות קרבוקסילאט כיתות אניוניות, כאשר לחלקים מעטים יש קבוצות סולפונט; היחדות הקטיוניות שלהם הן בעיקר מלחי אמין או מלחי אמוניום רבעוניים. אלו עם מלחי אמין כיתות קטיוניות נקראים מסוג חומצת אמינו; אלו עם מלחי אמוניום רבעוניים כיתות קטיוניות נקראים מסוג בטאין.

1. סוג חומצת אמינו

תמיסה מימית של חומרים פעילי שטח אמפוטריים מסוג חומצות אמינו היא בסיסית. כאשר מוסיפים חומצה הידרוכלורית לאט תוך ערבוב, אין שינוי כאשר התמיסה הופכת ניטרלית. משקע נוצר כאשר התמיסה הופכת לחומצית מעט. אם מוסיפים עוד חומצה הידרוכלורית כדי להפוך את התמיסה לחומצית מאוד, המשקע מתמוסס שוב. זה מצביע על כך שהוא מתנהג כחומר פעיל שטח אניוני בסביבה בסיסית וכחומר פעיל שטח קטיוני בסביבה חומצית. עם זאת, כאשר התכונות הקטיוניות והאניוניות מאוזנות בדיוק בנקודה האיזואלקטרית, ההידרופיליות פוחתת, וכתוצאה מכך נוצר משקע. האניון במולקולה הוא קבוצת קרבוקסיל, והקטיון הוא מלח אמוניום. סוג זה של חומר פעיל שטח מציג פעילויות שטח שונות עם שינויים ב-pH של המדיום. לדוגמה, חומצה דודצילאמינופרופיונית (C12H25N+H2CH2CH2COO-) יכולה להפוך לדודצילאמינופרופיונאט נתרן (C12H25NHCH2CH2COO-Na+) במדיום נתרן הידרוקסיד, ומתנהג כחומר פעיל שטח אניוני מסיס במים. בתווך חומצה הידרוכלורית, ניתן להמיר אותו למלח הידרוכלוריד של חומצה דודצילאמינופרופיונית [(C12H25N+H2CH2CH2COOH)Cl-], המתנהג כחומר פעיל שטח קטיוני מסיס במים. אם רמת ה-pH של התווך מותאמת כך שהמטענים החיוביים והשליליים מאוזנים בדיוק, הוא מומר למלח פנימי (C12H25N+H2CH2CH2COO-), אשר מסיס היטב במים ושוקע החוצה. רמת ה-pH בנקודה זו נקראת נקודה איזואלקטרית. כדי להפעיל את ההשפעה המלאה של חומרים פעילי שטח אמפוטריים מסוג חומצות אמינו, יש להשתמש בהם בתמיסות מימיות עם pH השונה מהנקודה האיזואלקטרית. חומרי גלם נפוצים המשמשים בהכנת חומרים פעילי שטח אמפוטריים מסוג חומצות אמינו כוללים אמינים ראשוניים אליפטיים גבוהים יותר, מתיל אקרילט (ראה אסטרים אקרילטים), אקרילוניטריל וחומצה כלוראצטית.

1. Bסוג אטאין

לחומרים פעילי שטח אמפוטריים מסוג בטאין יש את המאפיין הגדול ביותר של מסיסות בתמיסות מימיות, בין אם הן חומציות, ניטרליות או בסיסיות. הם אינם שוקעים אפילו בנקודה האיזואלקטרית. בנוסף, יש להם גם תכונות טובות כגון חדירות, יכולת דטרגנטים וביצועים אנטי-סטטיים. לכן, הם מתחלבים ומרככים טובים.

קרבוקסיבטין

האניון במולקולה הוא קבוצת קרבוקסיל, והקטיון הוא קבוצת אמוניום רבעונית. לדוגמה, אלקיל דימתיל בטאין [RN+(CH3)2CH2COO-], כאשר קבוצת האלקיל R מכילה 12 עד 18 אטומי פחמן. בהשוואה לסוגי חומצות אמינו, סוגי בטאין יכולים להתמוסס במים בסביבה חומצית, ניטרלית או בסיסית, ואינם שוקעים אפילו בנקודה איזואלקטרית, כך שניתן להשתמש בהם בתמיסות מימיות עם כל pH. בסביבה חומצית, כאשר ה-pH של הנקודה האיזואלקטרית נמוך יותר, הוא מתנהג כחומר פעיל שטח קטיוני מסיס במים [[RN+(CH3)2CH2COOH]Cl-]; בסביבה ניטרלית או בסיסית, כלומר, כאשר ה-pH שווה או גבוה מהנקודה האיזואלקטרית, הוא מתנהג כחומר פעיל שטח אמפוטרי מסיס במים ואינו מתנהג כחומר פעיל שטח אניוני. חומרים פעילי שטח אמפוטריים נוטים ליצור משקעים עם חומרים פעילי שטח אניוניים רק בסביבה חומצית. ניתן להשתמש בהם בשילוב עם כל סוג של חומר פעיל שטח בסביבה עם ערכי pH שונים. חומרי גלם נפוצים המשמשים להכנת חומרים פעילי שטח אמפוטריים מסוג בטאין כוללים אמינים שלישוניים של אלקיל דימתיל ונתרן כלוראאצטט ועוד.

סולפובטאין

הקבוצה האניונית במולקולה היא קבוצת הסולפו (SO3-), והקבוצה הקטיונית היא קבוצת אמוניום רבעונית. הקבוצה הנפוצה ביותר היא בטאין אלקיל דימתיל סולפונאתיל [RN+(CH3)2CH2CH2SO3-] ואלקיל דימתיל סולפופרופיל בטאין [RN+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-]. מספר אטומי הפחמן בקבוצת האלקיל R בנוסחאות נע בין 12 ל-18. לסולפובטאין תכונות מקיפות; הם לא רק מחזיקים בכל היתרונות של בטאין רגיל, אלא גם יתרונות ייחודיים כגון עמידות לריכוזים גבוהים של חומצות, בסיסים ומלחים. כיום, הידרוקסי סולפופרופיל [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2SO3-] משמש כתחליף לבטאין סולפופרופיל, המייצרים חומרים מזיקים לגוף האדם במהלך הייצור. בשל נוכחותן של קבוצות אניוניות וקטיוניות עם קבוצות הידרוקסיל במבנה שלהן, יש להם לא רק את כל היתרונות של חומרים פעילי שטח אמפוטריים, אלא גם עמידות לריכוזים גבוהים של חומצות, בסיסים ומלחים, תכונות אמולסיה, פיזור ואנטי-סטטיות טובות, כמו גם תכונות אנטי-בקטריאליות, אנטי-פטרייתיות וויסקו-אלסטיות. הם חומרים פעילי שטח בעלי ביצועים מצוינים והם מיושמים באופן נרחב בתחומים שונים כגון כימיקלים יומיומיים, עקירת נפט משדות נפט, שבירה וחומציות.

בטאין פוספוליפידי

הקבוצה האניונית במולקולה היא קבוצת הפוספט (HPO4-), והקבוצה הקטיונית היא קבוצת האמוניום הרביעית. לדוגמה, אלקיל דימתיל הידרוקסיפרופיל פוספט בטאין [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2HPO4-], כאשר לקבוצת האלקיל R יש 12 עד 18 אטומי פחמן. מבנה זה קובע כי הוא לא רק בעל תכונות מצוינות של חומרים פעילי שטח אמפוטריים כגון יכולת הרטבה, יכולת ניקוי, יכולת מסיסות, תכונות אמולסיה ופיזור, תכונות אנטי-סטטיות, יציבות תרמית, כמו גם תאימות טובה, גירוי נמוך ויתרונות על פני חומרים פעילי שטח אניוניים כלליים כגון עמידות טובה יותר לבסיס, עמידות לאלקטרוליטים ותכונות אנטי-סטטיות, אלא גם בעל פיזור חזק של סבון סידן, מתח פנים נמוך וביצועי הקצפה מצוינים.