คุณมีความรู้มากแค่ไหนเกี่ยวกับผลกระทบของสารลดแรงตึงผิวต่อการเปียกและการละลาย

คุณสมบัติการเปียกน้ำ, ข้อกำหนด: HLB: 7-9

การเปียกหมายถึงปรากฏการณ์ที่ก๊าซที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวของแข็งถูกแทนที่ด้วยของเหลว สารที่สามารถเพิ่มความสามารถในการแทนที่นี้เรียกว่าสารทำให้เปียก โดยทั่วไปแล้วการเปียกแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ การเปียกแบบสัมผัส (การเปียกแบบยึดเกาะ) การเปียกแบบจุ่ม (การเปียกแบบจุ่ม) และการเปียกแบบแพร่กระจาย (การแพร่กระจาย) ในบรรดาประเภทเหล่านี้ การแพร่กระจายถือเป็นมาตรฐานการเปียกที่ดีที่สุด และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายมักใช้เป็นตัวบ่งชี้ในการประเมินประสิทธิภาพการเปียกของระบบต่างๆ นอกจากนี้ มุมสัมผัสยังเป็นเกณฑ์ในการตัดสินคุณภาพของการเปียกอีกด้วย สารลดแรงตึงผิวสามารถใช้เพื่อควบคุมระดับการเปียกระหว่างของเหลวและของแข็งได้

ในอุตสาหกรรมยาฆ่าแมลง สูตรยาฆ่าแมลงแบบเม็ดและแบบผงบางชนิดก็มีส่วนผสมของสารลดแรงตึงผิวอยู่ด้วย จุดประสงค์ของสารลดแรงตึงผิวคือเพื่อเพิ่มการยึดเกาะและการตกตะกอนของยาฆ่าแมลงบนพื้นผิวเป้าหมาย เร่งอัตราการปลดปล่อย และขยายพื้นที่การกระจายตัวของสารออกฤทธิ์ภายใต้สภาวะชื้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันและรักษาโรคได้

ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง สารลดแรงตึงผิวทำหน้าที่เป็นอิมัลซิไฟเออร์และเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในผลิตภัณฑ์ดูแลผิว เช่น ครีม โลชั่น ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดผิวหน้า และผลิตภัณฑ์ล้างเครื่องสำอาง

ไมเซลล์และการละลาย,ข้อกำหนด: C > CMC (HLB 13–18)

ความเข้มข้นต่ำสุดที่โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวรวมตัวกันเพื่อสร้างไมเซลล์ เมื่อความเข้มข้นเกินค่า CMC โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างต่างๆ เช่น ทรงกลม ทรงแท่ง ทรงแผ่น หรือทรงแผ่นบาง

ระบบการละลายเป็นระบบสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก ยิ่งค่า CMC ต่ำและระดับการรวมตัวสูง ค่าความเข้มข้นสูงสุดของสารเติมแต่ง (MAC) ก็ยิ่งมากขึ้น ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการละลายสะท้อนให้เห็นในสามด้าน ได้แก่ การก่อตัวของไมเซลล์ ความสามารถในการละลายของสารที่ถูกละลาย และความสามารถในการละลายของสารลดแรงตึงผิวเอง สำหรับสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิก ความสามารถในการละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และอุณหภูมิที่เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันนี้เรียกว่าจุดคราฟต์ ยิ่งจุดคราฟต์สูง ค่าความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์ก็ยิ่งต่ำลง

สำหรับสารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีประจุประเภทโพลีออกซีเอทิลีน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง ความสามารถในการละลายจะลดลงอย่างรวดเร็วและเกิดการตกตะกอน ทำให้สารละลายขุ่นมัว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเกิดเมฆ และอุณหภูมิที่เกิดขึ้นเรียกว่าจุดเกิดเมฆ สำหรับสารลดแรงตึงผิวที่มีความยาวของโซ่โพลีออกซีเอทิลีนเท่ากัน ยิ่งโซ่ไฮโดรคาร์บอนยาวเท่าไหร่ จุดเกิดเมฆก็จะยิ่งต่ำลง ในทางกลับกัน สำหรับสารลดแรงตึงผิวที่มีความยาวของโซ่ไฮโดรคาร์บอนเท่ากัน ยิ่งโซ่โพลีออกซีเอทิลีนยาวเท่าไหร่ จุดเกิดเมฆก็จะยิ่งสูงขึ้น

สารอินทรีย์ที่ไม่เป็นขั้ว (เช่น เบนซีน) มีความสามารถในการละลายในน้ำต่ำมาก อย่างไรก็ตาม การเติมสารลดแรงตึงผิว เช่น โซเดียมโอเลเอต สามารถเพิ่มความสามารถในการละลายของเบนซีนในน้ำได้อย่างมาก ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การละลาย (solubilization) การละลายนี้แตกต่างจากการละลายแบบปกติ กล่าวคือ เบนซีนที่ละลายแล้วไม่ได้กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในโมเลกุลของน้ำ แต่ถูกกักไว้ภายในไมเซลล์ที่เกิดจากไอออนของโอเลเอต การศึกษาโดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ได้ยืนยันแล้วว่า ไมเซลล์ทุกชนิดจะขยายตัวในระดับที่แตกต่างกันหลังจากละลายแล้ว ในขณะที่สมบัติคอลลิเกทีฟของสารละลายโดยรวมยังคงไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก

เมื่อความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวในน้ำเพิ่มขึ้น โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะสะสมตัวบนพื้นผิวของเหลวเพื่อสร้างชั้นโมโนโมเลกุลที่เรียงตัวกันอย่างหนาแน่น โมเลกุลส่วนเกินในเฟสของเหลวจะรวมตัวกันโดยหันกลุ่มไฮโดรโฟบิกเข้าด้านใน ก่อตัวเป็นไมเซลล์ ความเข้มข้นต่ำสุดที่จำเป็นในการเริ่มต้นการก่อตัวของไมเซลล์เรียกว่าความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์ (CMC) ที่ความเข้มข้นนี้ สารละลายจะเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมในอุดมคติ และจุดเปลี่ยนที่ชัดเจนจะปรากฏขึ้นบนกราฟความตึงผิวเทียบกับความเข้มข้น การเพิ่มความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวต่อไปจะไม่ลดความตึงผิวอีกต่อไป แต่จะส่งเสริมการเติบโตและการเพิ่มจำนวนของไมเซลล์ในเฟสของเหลวอย่างต่อเนื่อง

เมื่อโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวแพร่กระจายในสารละลายและถึงระดับความเข้มข้นที่กำหนด โมเลกุลเหล่านั้นจะรวมตัวกันจากโมโนเมอร์แต่ละตัว (ไอออนหรือโมเลกุล) กลายเป็นกลุ่มอนุภาคคอลลอยด์ที่เรียกว่าไมเซลล์ การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสารละลายเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน และความเข้มข้นที่เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า CMC กระบวนการก่อตัวของไมเซลล์เรียกว่าไมเซลล์ไลเซชัน

การก่อตัวของไมเซลล์ในสารละลายสารลดแรงตึงผิวในน้ำเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น ในสารละลายเจือจางมาก น้ำและอากาศแทบจะสัมผัสกันโดยตรง ดังนั้นแรงตึงผิวจึงลดลงเพียงเล็กน้อย ยังคงใกล้เคียงกับน้ำบริสุทธิ์ โดยมีโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวเพียงไม่กี่โมเลกุลกระจายอยู่ในเฟสส่วนใหญ่ เมื่อความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวเพิ่มขึ้นในระดับปานกลาง โมเลกุลจะดูดซับลงบนพื้นผิวของน้ำอย่างรวดเร็ว ลดพื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำและอากาศ และทำให้แรงตึงผิวลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวบางส่วนในเฟสส่วนใหญ่จะรวมตัวกันโดยเรียงตัวกันของกลุ่มไฮโดรโฟบิก ก่อตัวเป็นไมเซลล์ขนาดเล็ก

เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และสารละลายถึงจุดอิ่มตัวของการดูดซับ ฟิล์มโมโนโมเลกุลที่หนาแน่นจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเหลว เมื่อความเข้มข้นถึงค่า CMC แรงตึงผิวของสารละลายจะถึงค่าต่ำสุด เมื่อความเข้มข้นเกินค่า CMC การเพิ่มความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวต่อไปแทบจะไม่ส่งผลต่อแรงตึงผิว แต่จะเพิ่มจำนวนและขนาดของไมเซลล์ในเฟสของสารละลายแทน ในกรณีนี้ สารละลายจะถูกครอบงำด้วยไมเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นไมโครรีแอคเตอร์ในการสังเคราะห์ผงนาโน เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ระบบจะค่อยๆ เปลี่ยนไปสู่สถานะผลึกเหลว

เมื่อความเข้มข้นของสารละลายสารลดแรงตึงผิวในน้ำถึงค่า CMC การก่อตัวของไมเซลล์จะเด่นชัดขึ้นเมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากจุดเปลี่ยนในกราฟความตึงผิวเทียบกับลอการิทึมของความเข้มข้น (กราฟ γ–log c) พร้อมกับการปรากฏของคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ไม่เป็นไปตามอุดมคติในสารละลาย

ไมเซลของสารลดแรงตึงผิวไอออนิกมีประจุบนพื้นผิวสูง เนื่องจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต ไอออนประจุตรงข้ามจะถูกดึงดูดไปยังพื้นผิวของไมเซล ทำให้ประจุบวกและลบบางส่วนเป็นกลาง อย่างไรก็ตาม เมื่อไมเซลก่อตัวเป็นโครงสร้างที่มีประจุสูง แรงต้านของบรรยากาศไอออนิกที่เกิดจากไอออนประจุตรงข้ามจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สามารถนำมาใช้ในการปรับความสามารถในการกระจายตัวของผงนาโนได้ ด้วยเหตุผลทั้งสองนี้ ค่าการนำไฟฟ้าเทียบเท่าของสารละลายจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเกินค่า CMC ทำให้จุดนี้เป็นวิธีการที่เชื่อถือได้ในการกำหนดความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลของสารลดแรงตึงผิว

โครงสร้างของไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวไอออนิกโดยทั่วไปมีรูปร่างทรงกลม ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ แกนกลาง เปลือก และชั้นไฟฟ้าคู่แบบกระจาย แกนกลางประกอบด้วยโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ชอบน้ำ คล้ายกับไฮโดรคาร์บอนเหลว มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 ถึง 2.8 นาโนเมตร หมู่เมทิลีน (-CH₂-) ที่อยู่ติดกับหมู่หัวขั้วมีขั้วบางส่วน ทำให้โมเลกุลน้ำบางส่วนอยู่รอบแกนกลาง ดังนั้น แกนกลางของไมเซลล์จึงประกอบด้วยมีปริมาณน้ำที่ถูกกักไว้เป็นจำนวนมาก และหมู่ -CH₂- เหล่านี้ไม่ได้รวมเข้ากับแกนไฮโดรคาร์บอนที่มีลักษณะคล้ายของเหลวอย่างสมบูรณ์ แต่กลับก่อตัวเป็นส่วนหนึ่งของเปลือกไมเซลล์ที่ไม่ใช่ของเหลว

เปลือกไมเซลล์เรียกอีกอย่างว่าส่วนต่อประสานระหว่างไมเซลล์กับน้ำหรือเฟสพื้นผิว คำนี้ไม่ได้หมายถึงส่วนต่อประสานระดับมหภาคระหว่างไมเซลล์กับน้ำ แต่หมายถึงบริเวณระหว่างไมเซลล์กับสารละลายโมโนเมอร์ของสารลดแรงตึงผิวในน้ำ สำหรับไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิก เปลือกจะเกิดจากชั้นสเติร์นชั้นในสุด (หรือชั้นการดูดซับคงที่) ของชั้นไฟฟ้าคู่ โดยมีความหนาประมาณ 0.2 ถึง 0.3 นาโนเมตร เปลือกนี้ประกอบด้วยไม่เพียงแต่กลุ่มหัวไอออนิกของสารลดแรงตึงผิวและส่วนหนึ่งของไอออนตรงข้ามที่จับอยู่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงชั้นไฮเดรชั่นเนื่องจากการไฮเดรชั่นของไอออนเหล่านี้ด้วย เปลือกไมเซลล์ไม่ใช่พื้นผิวเรียบ แต่เป็นส่วนต่อประสานที่ "ขรุขระ" ซึ่งเป็นผลมาจากการผันผวนที่เกิดจากการเคลื่อนที่ทางความร้อนของโมเลกุลโมโนเมอร์ของสารลดแรงตึงผิว

ในตัวกลางที่ไม่ใช่น้ำ (ตัวกลางที่มีน้ำมันเป็นส่วนประกอบหลัก) ซึ่งโมเลกุลของน้ำมันเป็นส่วนประกอบสำคัญ กลุ่มไฮโดรฟิลิกของสารลดแรงตึงผิวจะรวมตัวกันเข้าด้านในเพื่อสร้างแกนขั้ว ในขณะที่โซ่ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ชอบน้ำจะก่อตัวเป็นเปลือกนอกของไมเซลล์ ไมเซลล์ชนิดนี้มีโครงสร้างกลับด้านเมื่อเทียบกับไมเซลล์ในน้ำทั่วไป จึงเรียกว่าไมเซลล์กลับด้าน ในทางตรงกันข้าม ไมเซลล์ที่เกิดขึ้นในน้ำเรียกว่าไมเซลล์ปกติ รูปที่ 4 แสดงแบบจำลองแผนผังของไมเซลล์กลับด้านที่เกิดจากสารลดแรงตึงผิวในสารละลายที่ไม่ใช่น้ำ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไมเซลล์กลับด้านถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์และการเตรียมตัวนำส่งยาขนาดนาโน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการห่อหุ้มยาที่ชอบน้ำ