Требуемый смачивающий эффект: HLB: 7-9
Смачивание определяется как явление, при котором газ, адсорбированный на твердой поверхности, вытесняется жидкостью. Вещества, способные усилить эту способность вытеснения, называются смачивающими агентами. Смачивание обычно подразделяется на три типа: контактное смачивание (адгезионное смачивание), иммерсионное смачивание (иммерсионное смачивание) и растекающееся смачивание (растекание). Среди них растекание представляет собой наивысший уровень смачивания, и коэффициент растекания часто используется в качестве показателя для оценки эффективности смачивания различных систем. Кроме того, угол смачивания также является критерием оценки качества смачивания. Поверхностно-активные вещества могут использоваться для контроля степени смачивания между жидкой и твердой фазами.
В пестицидной промышленности некоторые гранулированные составы и порошкообразные препараты также содержат определенное количество поверхностно-активных веществ. Их назначение — улучшить адгезию и количество осаждения пестицида на целевой поверхности, ускорить скорость высвобождения и расширить площадь распространения активных ингредиентов во влажных условиях, тем самым повышая эффективность профилактики и лечения заболеваний.
В косметической промышленности поверхностно-активные вещества действуют как эмульгаторы и являются незаменимыми компонентами в средствах по уходу за кожей, таких как кремы, лосьоны, средства для умывания лица и средства для снятия макияжа.
Мицеллы и солюбилизация,Требования: C > CMC (HLB 13–18)
Минимальная концентрация, при которой молекулы поверхностно-активного вещества объединяются, образуя мицеллы. Когда концентрация превышает значение КМК (критической концентрации мицеллообразования), молекулы поверхностно-активного вещества располагаются в виде сферических, стержнеобразных, пластинчатых или ламеллярных структур.
Системы солюбилизации представляют собой термодинамически равновесные системы. Чем ниже КМК и чем выше степень ассоциации, тем выше максимальная аддитивная концентрация (МАК). Влияние температуры на солюбилизацию проявляется в трех аспектах: она влияет на образование мицелл, растворимость солюбилизатов и растворимость самих поверхностно-активных веществ. Для ионных поверхностно-активных веществ их растворимость резко возрастает с повышением температуры, и температура, при которой происходит этот резкий рост, называется точкой Краффта. Чем выше точка Краффта, тем ниже критическая концентрация мицелл.
Для полиоксиэтиленовых неионогенных поверхностно-активных веществ при повышении температуры до определенного уровня их растворимость резко падает, происходит осаждение, в результате чего раствор становится мутным. Это явление известно как помутнение, а соответствующая температура называется точкой помутнения. Для поверхностно-активных веществ с одинаковой длиной полиоксиэтиленовой цепи, чем длиннее углеводородная цепь, тем ниже точка помутнения; и наоборот, при одинаковой длине углеводородной цепи, чем длиннее полиоксиэтиленовая цепь, тем выше точка помутнения.
Неполярные органические вещества (например, бензол) обладают очень низкой растворимостью в воде. Однако добавление поверхностно-активных веществ, таких как олеат натрия, может значительно повысить растворимость бензола в воде — этот процесс называется солюбилизацией. Солюбилизация отличается от обычного растворения: солюбилизированный бензол не равномерно диспергируется в молекулах воды, а задерживается внутри мицелл, образованных олеатными ионами. Рентгенодифракционные исследования подтвердили, что все типы мицелл расширяются в различной степени после солюбилизации, в то время как коллигативные свойства всего раствора остаются в значительной степени неизменными.
По мере увеличения концентрации поверхностно-активных веществ в воде молекулы поверхностно-активных веществ накапливаются на поверхности жидкости, образуя плотно упакованный, ориентированный мономолекулярный слой. Избыточные молекулы в основной фазе агрегируют, направляя свои гидрофобные группы внутрь, образуя мицеллы. Минимальная концентрация, необходимая для начала образования мицелл, определяется как критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). При этой концентрации раствор отклоняется от идеального поведения, и на кривой поверхностного натяжения в зависимости от концентрации появляется отчетливая точка перегиба. Дальнейшее увеличение концентрации поверхностно-активного вещества больше не будет снижать поверхностное натяжение; вместо этого оно будет способствовать непрерывному росту и размножению мицелл в основной фазе.
Когда молекулы поверхностно-активных веществ диспергируются в растворе и достигают определенной пороговой концентрации, они объединяются из отдельных мономеров (ионов или молекул) в коллоидные агрегаты, называемые мицеллами. Этот переход вызывает резкие изменения физических и химических свойств раствора, а концентрация, при которой это происходит, называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Процесс образования мицелл называется мицеллизацией.
Образование мицелл в водных растворах поверхностно-активных веществ является процессом, зависящим от концентрации. В чрезвычайно разбавленных растворах вода и воздух находятся практически в непосредственном контакте, поэтому поверхностное натяжение уменьшается лишь незначительно, оставаясь близким к натяжению чистой воды, при этом в объеме раствора диспергировано очень мало молекул поверхностно-активного вещества. При умеренном увеличении концентрации поверхностно-активного вещества молекулы быстро адсорбируются на поверхности воды, уменьшая площадь контакта между водой и воздухом и вызывая резкое падение поверхностного натяжения. В то же время некоторые молекулы поверхностно-активного вещества в объеме раствора агрегируют, выравнивая свои гидрофобные группы, образуя небольшие мицеллы.
По мере дальнейшего повышения концентрации и достижения раствором насыщения адсорбцией на поверхности жидкости образуется плотно упакованная мономолекулярная пленка. Когда концентрация достигает КМК (критической концентрации мицеллообразования), поверхностное натяжение раствора достигает своего минимального значения. За пределами КМК дальнейшее увеличение концентрации поверхностно-активного вещества практически не влияет на поверхностное натяжение; вместо этого оно увеличивает количество и размер мицелл в объемной фазе. В этом случае в растворе преобладают мицеллы, которые служат микрореакторами при синтезе нанопорошков. При дальнейшем увеличении концентрации система постепенно переходит в жидкокристаллическое состояние.
Когда концентрация водного раствора поверхностно-активного вещества достигает критической концентрации мицеллообразования (ККМ), образование мицелл становится более выраженным с увеличением концентрации. Это характеризуется точкой перегиба на кривой зависимости поверхностного натяжения от логарифма концентрации (кривая γ–log c), а также появлением неидеальных физических и химических свойств в растворе.
Ионные мицеллы поверхностно-активных веществ несут высокие поверхностные заряды. Благодаря электростатическому притяжению противоионы притягиваются к поверхности мицелл, нейтрализуя часть положительных и отрицательных зарядов. Однако, как только мицеллы образуют сильно заряженные структуры, замедляющая сила ионной атмосферы, создаваемой противоионами, значительно возрастает — свойство, которое можно использовать для регулирования диспергируемости нанопорошков. По этим двум причинам эквивалентная проводимость раствора быстро уменьшается с увеличением концентрации выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ), что делает эту точку надежным методом определения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ.
Структура мицелл ионных поверхностно-активных веществ обычно имеет сферическую форму и состоит из трех частей: ядра, оболочки и диффузного электрического двойного слоя. Ядро состоит из гидрофобных углеводородных цепей, подобных жидким углеводородам, диаметром от приблизительно 1 до 2,8 нм. Метиленовые группы (-CH₂-), прилегающие к полярным головным группам, обладают частичной полярностью, удерживая некоторые молекулы воды вокруг ядра. Таким образом, ядро мицеллы содержитзначительное количество захваченной воды, и эти группы -CH₂- не полностью интегрированы в жидкоподобное углеводородное ядро, а вместо этого образуют часть нежидкой оболочки мицеллы.
Оболочка мицеллы также известна как граница раздела мицелла-вода или поверхностная фаза. Речь идёт не о макроскопической границе раздела между мицеллами и водой, а о области между мицеллами и водным раствором мономерного поверхностно-активного вещества. Для мицелл ионных поверхностно-активных веществ оболочка образуется внутренним слоем Штерна (или фиксированным адсорбционным слоем) электрического двойного слоя толщиной около 0,2–0,3 нм. Оболочка содержит не только ионные головные группы поверхностно-активных веществ и часть связанных противоионов, но и гидратационный слой, образованный гидратацией этих ионов. Оболочка мицеллы представляет собой не гладкую поверхность, а скорее «шероховатую» границу раздела, являющуюся результатом флуктуаций, вызванных тепловым движением молекул мономера поверхностно-активного вещества.
В неводных (масляных) средах, где преобладают молекулы масла, гидрофильные группы поверхностно-активных веществ агрегируются внутрь, образуя полярное ядро, в то время как гидрофобные углеводородные цепи образуют внешнюю оболочку мицеллы. Этот тип мицелл имеет обратную структуру по сравнению с обычными водными мицеллами и поэтому называется обратной мицеллой; напротив, мицеллы, образующиеся в воде, называются нормальными мицеллами. На рисунке 4 показана схематическая модель обратных мицелл, образующихся из поверхностно-активных веществ в неводных растворах. В последние годы обратные мицеллы широко используются в синтезе и получении наноразмерных носителей лекарственных средств, особенно для инкапсуляции гидрофильных препаратов.
Дата публикации: 26 декабря 2025 г.