Kationske površinsko aktivne snovi so večinoma organski aminski derivati, ki vsebujejo dušik. Ker atom dušika v njihovih molekulah vsebuje osamljen par elektronov, se lahko veže z vodikom v kislih molekulah prek vodikovih vezi, zaradi česar amino skupina nosi pozitiven naboj. Zato kažejo dobro površinsko aktivnost le v kislih medijih; v alkalnih medijih se nagibajo k oborini in izgubijo svojo površinsko aktivnost. Poleg kationskih površinsko aktivnih snovi, ki vsebujejo dušik, obstaja tudi majhen delež kationskih površinsko aktivnih snovi, ki vsebujejo elemente, kot so žveplo, fosfor in arzen.
1. Stanje razvoja
Kationske površinsko aktivne snovi se v industriji že dolgo ne uporabljajo pogosto, njihovo povpraševanje pa iz leta v leto hitro narašča. Ker pa se uporabljajo predvsem v posebnih namenih, kot so fungicidi, mehčalci vlaken in antistatiki, je njihova uporaba v primerjavi z anionskimi in neionskimi površinsko aktivnimi snovmi relativno manjša.
Kationske površinsko aktivne snovi imajo na splošno dobre lastnosti, kot so emulgiranje, omočenje, pranje, sterilizacija, mehčanje, antistatika in protikorozijska odpornost. Zaradi svojih posebnih lastnosti in uporabe imajo dober razvojni potencial. Z nadaljnjo širitvijo obsega industrijske in civilne uporabe se bosta njihova raznolikost in povpraševanje še naprej povečevala.
2. Razvrstitev
Večina kationskih površinsko aktivnih snovi s komercialno vrednostjo so derivati organskih dušikovih spojin, kjer pozitivni naboj nosijo atomi dušika. Obstajajo tudi nekatere nove vrste kationskih površinsko aktivnih snovi, kjer pozitivni naboj nosijo atomi, kot so fosfor, žveplo, jod in arzen. Glede na kemijsko strukturo kationskih površinsko aktivnih snovi jih lahko v glavnem razdelimo v štiri kategorije: tip aminske soli, tip kvaternarne amonijeve soli in tip heterociklične snovi.
Kationske površinsko aktivne snovi tipa aminske soli so splošni izraz za površinsko aktivne snovi primarne aminske soli, sekundarne aminske soli in terciarne aminske soli. Njihove lastnosti so si zelo podobne, mnogi izdelki pa so mešanice primarnih in sekundarnih aminov. Ta vrsta površinsko aktivne snovi je v glavnem sol, ki jo tvorijo maščobni amini in anorganske kisline, in je topna le v kislih raztopinah. V alkalnih pogojih aminske soli zlahka reagirajo z alkalijami in tvorijo proste amine, kar zmanjša njihovo topnost in s tem do neke mere omejuje njihovo področje uporabe.
Vrsta kvartarne amonijeve soli
Kationske površinsko aktivne snovi tipa kvartarnih amonijevih soli so najpomembnejša vrsta kationskih površinsko aktivnih snovi, katerih lastnosti in metode priprave se razlikujejo od lastnosti in metod priprave aminskih soli. Takšne površinsko aktivne snovi se lahko raztopijo tako v kislih kot alkalnih raztopinah, imajo vrsto odličnih lastnosti in so dobro združljive z drugimi vrstami površinsko aktivnih snovi. Zato imajo relativno širok spekter uporabe.
Heterociklični tip
Heterociklični obroči, ki jih vsebujejo molekule kationskih površinsko aktivnih snovi, so večinoma tisti, ki vsebujejo dušik, kot so morfolinski obroč, piridinski obroč, imidazolski obroč, piperazinski obroč in kinolinski obroč.
3. Sinteza
Glavna reakcija za sintezo kationskih površinsko aktivnih snovi je N-alkilacijska reakcija. Med njimi je reakcija, pri kateri terciarni amini reagirajo z alkilirajočimi sredstvi in tvorijo kvaternarne amonijeve soli, imenovana tudi kvaternizacijska reakcija.
Alkil kvaternarna amonijeva sol
Alkil kvaternarne amonijeve soli so ena od pomembnih vrst kationskih površinsko aktivnih snovi tipa kvaternarne amonijeve soli in se pogosto uporabljajo kot fungicidi, mehčalci vlaken, sredstva za flotacijo mineralov, emulgatorji itd. Njihova strukturna značilnost je, da je atom dušika povezan s štirimi alkilnimi skupinami, kar pomeni, da so vsi štirje atomi vodika amonijevega iona nadomeščeni z alkilnimi skupinami. Običajno sta le ena ali dve od teh alkilnih skupin dolgoverižni ogljikovodikovi alkilni skupini, preostale alkilne skupine pa imajo enega ali dva atoma ogljika. Glede na njihove strukturne značilnosti obstajajo predvsem tri metode sinteze alkil kvaternarnih amonijevih soli: pripravljene z reakcijo višjih alkil halogenidov z nižjimi terciarnimi amini, pripravljene z reakcijo višjih alkil aminov z nižjimi alkil halogenidi in pripravljene z metodo formaldehida in mravljinčne kisline.
Kvarterne amonijeve soli, ki vsebujejo heteroatome
Tako imenovane kvaternarne amonijeve soli, ki vsebujejo heteroatome, se tukaj na splošno nanašajo na kvaternarne amonijeve soli, ki v svojih hidrofobnih ogljikovodikovih verigah vsebujejo heteroatome, kot so O, N in S, torej na površinsko aktivne snovi, ki v svojih lipofilnih skupinah vsebujejo amidne vezi, etrske vezi, estrske vezi ali tioetrske vezi. Ker sta hidrofilna kvaternarna amonijeva kationska skupina in alkilna hidrofobna skupina povezani preko skupin, kot so amid, ester, eter ali tioeter, namesto da bi bili neposredno povezani, nekateri takšne kvaternarne amonijeve soli imenujejo tudi posredno povezane kationske površinsko aktivne snovi.
Kvarterne amonijeve soli, ki vsebujejo benzenske obroče
Ta vrsta površinsko aktivne snovi se med drugim uporablja predvsem kot baktericid, penilo, omočilno sredstvo in sredstvo za fiksiranje barvil. V sinteznem procesu je glavna metoda za uvajanje aromatskih obročev uporaba benzil klorida kot alkilirajočega reagenta za reakcijo s terciarnimi amini. Benzil klorid se pripravi s kloriranjem stranske verige toluena. Da bi se izognili kloriranju benzenskega obroča, je treba to reakcijo izvesti v emajliranem kotlu ali reaktorju s stekleno oblogo.
Kvarterne amonijeve soli, ki vsebujejo heterocikle
Heterociklični obroči, ki jih vsebujejo molekule kvaternarnih amonijevih soli, so predvsem morfolinski obroč, piperazinski obroč, piridinski obroč, kinolinski obroč in imidazolski obroč itd.
Avrsta rudniške soli
Kationske površinsko aktivne snovi tipa aminskih soli vključujejo predvsem tri glavne kategorije: dolgoverižne alkilne primarne aminske soli, sekundarne aminske soli in terciarne aminske soli.
4. Uporaba
Kationske površinsko aktivne snovi imajo dobre funkcije, kot so sterilizacija, mehčanje,antistatičen, in protikorozijske lastnosti, kot tudi nekatere emulgirne in omočilne lastnosti. Pogosto se uporabljajo tudi kot katalizatorji faznega prenosa. Vendar se ta vrsta površinsko aktivne snovi redko uporablja samostojno kot detergent. Ker površina mnogih substratov v vodnih raztopinah, zlasti v alkalnih vodnih raztopinah, običajno nosi negativni naboj. Med nanašanjem se pozitivno nabita površinsko aktivna snov razporedi na površini substrata s hidrofilnimi skupinami navznoter in hidrofobnimi skupinami navzven, zaradi česar je površina substrata hidrofobna, kar ni ugodno za pranje in ima lahko celo negativne učinke. Poleg tega se glavna področja uporabe te vrste površinsko aktivne snovi razlikujejo od drugih površinsko aktivnih snovi, ki se uporabljajo za zmanjšanje površinske napetosti. Namesto tega izkoriščajo svoje strukturne značilnosti za druge posebne aplikacije.
Čas objave: 19. marec 2026