การใช้งานสารลดแรงตึงผิวที่ใหญ่ที่สุดในอุตสาหกรรมสารหล่อลื่น

โครงสร้างของสารลดแรงตึงผิวค่อนข้างตรงไปตรงมา: ปลายด้านหนึ่งชอบน้ำ (ดูดซับน้ำ)-(ชอบ) และลิโปฟิลิก (น้ำมัน) อีกชนิดหนึ่ง-(ด้วยความรัก) ปลายแต่ละด้านจะจับกับคู่ของมัน คือ น้ำและน้ำมัน โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะรวมตัวกันที่น้ำมัน-พื้นผิวสัมผัสของน้ำ และนั่นคือโครงสร้างพื้นฐาน การทำให้เกิดอิมัลชันเป็นเพียงหนึ่งในหน้าที่ของสารลดแรงตึงผิว แต่เป็นหน้าที่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด-เป็นฟังก์ชันที่ใช้ในอุตสาหกรรมของเรา โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผสมน้ำ-น้ำมันที่ผสมอยู่ เช่น น้ำมันที่ผ่านกระบวนการอิมัลชันกับน้ำ-ควบคุมไฟ-ของเหลวไฮดรอลิกที่ทนทาน อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว อิมัลซิไฟเออร์มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในชีวิตประจำวัน-ผลิตภัณฑ์เพื่อสุขภาพ ได้แก่ นม น้ำแข็ง-ครีมและแชมพู ซึ่งทั้งหมดนี้มีส่วนประกอบของอิมัลซิไฟเออร์ในปริมาณที่แตกต่างกันไป

เนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลที่เรียบง่ายนี้ สารหลายชนิดจึงแสดงคุณสมบัติในการทำให้เกิดอิมัลชัน ซึ่งทำให้การเลือกใช้อิมัลซิไฟเออร์ค่อนข้างซับซ้อน อาจกล่าวได้ว่าหากปราศจากความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับอิมัลซิไฟเออร์แล้ว ก็แทบจะไม่สามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์น้ำที่มีคุณภาพได้เลย-ผลิตภัณฑ์หล่อลื่นที่ใช้เป็นพื้นฐาน เป็นที่ทราบกันดีว่าน้ำมันและน้ำไม่สามารถผสมกันได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อิมัลซิไฟเออร์เพื่อรวมเข้าด้วยกัน ในการผสมแบบบังคับนี้ เฟสหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นหยดของเหลวขนาดเล็ก ในขณะที่ของเหลวอีกเฟสหนึ่งจะห่อหุ้มหยดเหล่านี้ไว้โดยสมบูรณ์ นี่จึงเป็นที่มาของแนวคิดของเฟสต่อเนื่องและเฟสกระจาย: เฟสหนึ่งแตกตัวเป็นหยดที่ไม่ต่อเนื่อง และอีกเฟสหนึ่งก่อตัวเป็นตัวกลางต่อเนื่องที่ไม่ขาดตอน ในระดับมหภาค สิ่งนี้ทำให้เกิดน้ำขึ้นมา-in-น้ำมัน (ปราศจากน้ำมัน) หรือน้ำมัน-in-อิมัลชันน้ำมันในน้ำ (O/W) นั่นคือหลักการพื้นฐานของสารทำให้เกิดอิมัลชัน

เมื่ออิมัลซิไฟเออร์ถูกนำเข้าสู่น้ำมันที่ไม่สามารถผสมกันได้-ในระบบน้ำ สภาวะการกระจายตัวใหม่จะถูกสร้างขึ้นเพื่อผสมสองเฟสเข้าด้วยกัน นี่ไม่ใช่การละลายที่แท้จริงในความหมายของการละลายของเกลือในน้ำ แต่เฟสหนึ่งจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในรูปของหย droplets เล็กๆ ภายในอีกเฟสหนึ่ง หากสภาวะภายนอกเปลี่ยนแปลง น้ำมันและน้ำจะแยกตัวออกจากกันอีกครั้ง ซึ่งบ่งชี้ถึงการทำอิมัลชันที่ไม่ดีหรือความเสถียรของอิมัลชันไม่เพียงพอ สารเติมแต่งบางชนิดสามารถรบกวนน้ำมันได้-สารเหล่านี้ทำลายสมดุลของน้ำและกระตุ้นให้เกิดการแยกเฟสอย่างสมบูรณ์ สารเหล่านี้มีฤทธิ์ตรงข้ามกับอิมัลซิไฟเออร์และเรียกว่าดีมัลซิไฟเออร์

อิมัลชันโดยพื้นฐานแล้วคือระบบการกระจายตัว เนื่องจากมีการกระจายตัวอยู่-เนื่องจากมีหยดเฟสและความแตกต่างของดัชนีหักเหระหว่างเฟส แสงตกกระทบจึงเกิดการสะท้อน การกระเจิง และการส่งผ่านที่พื้นผิวของหยด ขนาดของหยดอิมัลชันโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.1μม. ถึง 10μม. ขณะที่มองเห็น-ความยาวคลื่นแสงอยู่ระหว่าง 0.4μม. และ 0.6μการสะท้อนแสงที่รุนแรงทำให้สารละลายมีลักษณะขุ่นมัวเป็นเอกลักษณ์-มีลักษณะสีขาว เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหยดน้ำอยู่ในช่วง 0.05μม. ถึง 0.1μม. (เล็กกว่าที่มองเห็นได้เล็กน้อย)-เมื่อความยาวคลื่นแสงเพิ่มขึ้น จะเกิดการกระเจิงของแสง และระบบจะดูโปร่งแสง ที่ขนาดหยดน้ำต่ำกว่า 0.05μม (เล็กกว่าที่มองเห็นได้มาก)-ความยาวคลื่นแสง) การส่งผ่านแสงจะเด่นกว่า และระบบจะโปร่งใส ระบบที่มีขนาดหยดน้ำต่ำกว่า 0.1μไมโครอิมัลชัน คืออนุภาคที่มีลักษณะโปร่งแสงหรือโปร่งใส ซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างจากมาโครอิมัลชันทั่วไปอย่างมาก ไมโครอิมัลชันก็ยังคงเป็นอิมัลชัน เพียงแต่มีอนุภาคที่กระจายตัวละเอียดกว่ามาก-หยดเฟส การก่อตัวของหยดเฟสไม่เพียงแต่ต้องการอิมัลซิไฟเออร์เท่านั้น แต่ยังต้องการโคบอลต์ด้วย-สารทำให้เกิดอิมัลชัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการทำให้เกิดอิมัลชัน-ขับเคลื่อน“การละลาย”โดยหลักแล้วขึ้นอยู่กับการควบคุมขนาดอนุภาคของเฟสที่กระจายตัวอยู่

ประสิทธิภาพของอิมัลซิไฟเออร์ขึ้นอยู่กับความสมดุลที่ละเอียดอ่อน ความสามารถในการดูดซับน้ำและไขมันของมันก่อให้เกิดผลแบบลูกตุ้ม ตัวอย่างเช่น ค่าต่ำ-แอลกอฮอล์ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบจะมีคุณสมบัติชอบน้ำสูงและละลายในน้ำได้ดีโดยมีความสัมพันธ์กับน้ำมันน้อยมาก ในทางกลับกัน สารที่มีคุณสมบัติชอบไขมันมากเกินไปจะไม่สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำได้และแสดงคุณสมบัติชอบน้ำมัน-พฤติกรรมการละลาย แม้ว่าสารหลายชนิดจะมีทั้งส่วนที่ชอบน้ำและส่วนที่ชอบไขมัน แต่ก็ไม่สามารถจัดเป็นสารลดแรงตึงผิวได้ หากสารใดมีคุณสมบัติชอบน้ำหรือชอบไขมันมากเกินไป สารนั้นก็เป็นเพียงสารเคลือบผิวเท่านั้น-สารออกฤทธิ์ เช่น สารเติมแต่งบางชนิดที่กล่าวถึงข้างต้น ตัวชี้วัดที่สามารถวัดได้สำหรับคุณสมบัติชอบน้ำ-ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีคุณสมบัติในการละลายไขมันที่ดี กล่าวคือ บ่อ-ไฮโดรฟิลล์ที่รู้จักกันดี-ลิโปไฟล์-มูลค่าคงเหลือ (HLB)

ค่า HLB ให้คำแนะนำที่มีคุณค่าสำหรับการทำอิมัลชันในทางปฏิบัติ ควบคู่ไปกับเทคนิคเชิงประจักษ์ต่างๆ ซึ่งมีบันทึกไว้ในเอกสารทางวิชาการและจะไม่กล่าวถึงในที่นี้ การทำอิมัลชันน้ำมันด้วยอิมัลซิไฟเออร์นั้นไม่ยากโดยเนื้อแท้ ชนิดของอิมัลซิไฟเออร์ ปริมาณ และสภาวะความเสถียรที่เหมาะสมสามารถกำหนดได้จากการทดลอง-และ-ข้อผิดพลาด ดังนั้นการพัฒนาอิมัลซิไฟเออร์จึงอาศัยงานทดลองเป็นอย่างมาก ไมโครหลายชนิด-กลไกในระดับโมเลกุลของพฤติกรรมสารลดแรงตึงผิว ยังคงไม่ได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วนโดยนักวิจัยจนถึงทุกวันนี้ นอกเหนือจากการทำให้เกิดอิมัลชันแล้ว สารลดแรงตึงผิวยังมีคุณสมบัติในการทำให้เปียก ทำความสะอาด ชำระล้าง กระจายตัว ละลาย และฟังก์ชันอื่นๆ สำหรับอุตสาหกรรมของเรา การคัดกรองเชิงทดลองเป็นแนวทางที่ใช้งานได้จริง เนื่องจากความรู้ที่แท้จริงมาจากการปฏิบัติจริง มีกฎเชิงประจักษ์หลายข้อที่ได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลอง ได้แก่ อิมัลซิไฟเออร์แบบผสมมีประสิทธิภาพดีกว่าอิมัลซิไฟเออร์แบบเดี่ยว และการผสมผสานระหว่างประจุลบและประจุบวก-สารลดแรงตึงผิวไอออนิกก่อให้เกิดผลเสริมฤทธิ์ที่เป็นประโยชน์

แม้ทฤษฎีของอิมัลซิไฟเออร์จะดูเรียบง่าย แต่การนำไปใช้ในทางปฏิบัติกลับซับซ้อน การใช้อิมัลซิไฟเออร์เพียงอย่างเดียวมักจะแก้ปัญหาได้ด้วยการทดลอง แต่หลายกรณีต่อมากลับแก้ไขได้ยาก-สารเติมแต่งที่เพิ่มเข้ามามีพื้นผิว-คุณสมบัติเชิงรุกเหล่านี้จะรบกวนประสิทธิภาพของอิมัลซิไฟเออร์และเปลี่ยนแปลงค่า HLB ที่มีประสิทธิภาพของระบบ ตัวอย่างทั่วไปคือสารยับยั้งการกัดกร่อนในอิมัลชัน พื้นผิวที่มีขั้วสูงเหล่านี้-มีการใส่สารออกฤทธิ์เพื่อป้องกันสนิม แต่สารเหล่านี้อาจทำให้คุณสมบัติของน้ำมันไม่เสถียร-สมดุลของอิมัลชันน้ำต้องนำมาพิจารณาในการเลือกอิมัลซิไฟเออร์ การผสมอิมัลซิไฟเออร์หลายชนิดเข้าด้วยกันสามารถลดปริมาณการใช้และต้นทุน ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความเสถียรของอิมัลชัน อย่างไรก็ตาม คำถามเกี่ยวกับวิธีการผสมอิมัลซิไฟเออร์ที่แตกต่างกันและกลไกการผสมทำให้ความซับซ้อนของสูตรเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความเข้าใจผิดที่แพร่หลายคือ อิมัลซิไฟเออร์ประจุลบและประจุบวกไม่สามารถผสมกันได้ ในความเป็นจริง อิมัลซิไฟเออร์ประจุลบสามารถผสมกันได้-สารลดแรงตึงผิวประจุบวกได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสารลดแรงตึงผิว แม้ว่าจะไม่ค่อยมีการนำมาใช้ในภาคส่วนของเราก็ตาม ไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมที่มีอยู่ในน้ำกระด้างอาจรบกวนฟิล์มที่ส่วนต่อประสานของอิมัลชันและทำให้สารทำให้เกิดอิมัลชันเสื่อมสภาพ ไอออนแคลเซียมเป็นปัญหาอย่างยิ่ง เนื่องจากสารลดแรงตึงผิวหลายชนิดทำปฏิกิริยากับแคลเซียมเพื่อสร้างน้ำ-สบู่แคลเซียมที่ไม่ละลายน้ำซึ่งตกตะกอนออกจากระบบ หัวข้อนี้จะกล่าวถึงในบทต่อไป

ดังนั้น อิมัลซิไฟเออร์ที่ดูเหมือนเรียบง่ายจึงกลายเป็นเรื่องซับซ้อนอย่างมากเมื่อมีการนำส่วนประกอบอื่นๆ เข้ามาเกี่ยวข้อง การผลิตอิมัลชันสำเร็จรูปนั้นไม่ยาก ความท้าทายที่แท้จริงอยู่ที่การรักษาเสถียรภาพภายใต้สภาวะการใช้งานที่หลากหลาย และทำให้ทั้งน้ำมันและน้ำยังคงผสมกันอยู่ตลอดเวลา

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับสารทำให้เกิดอิมัลชัน:

ความทนทานต่อน้ำกระด้าง

พารามิเตอร์นี้บ่งบอกคุณสมบัติของอิมัลซิไฟเออร์'ความทนทานต่อน้ำกระด้าง สารลดแรงตึงผิวประจุลบแบบดั้งเดิมมักมีประสิทธิภาพต่ำในด้านนี้ ดังนั้นจึงไม่มีสารลดแรงตึงผิวประจุลบแบบดั้งเดิม-สารลดแรงตึงผิวชนิดไอออนิกกำลังค่อยๆ เข้ามาแทนที่สารลดแรงตึงผิวชนิดแอนไอออนิก อย่างไรก็ตาม สารลดแรงตึงผิวชนิดแอนไอออนิกก็ยังคงมีคุณสมบัติที่ดีเฉพาะตัวอยู่

แนวโน้มการเกิดฟอง

สารลดแรงตึงผิวประจุลบเชิงเส้นแบบดั้งเดิมหลายชนิดก่อให้เกิดฟองจำนวนมาก ทำให้เกิดความเข้าใจผิดว่าปริมาณฟองที่มากขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพในการทำความสะอาดที่ดีกว่า ฟองส่วนใหญ่เกิดจากสารลดแรงตึงผิว ในสารหล่อลื่นของเรา-ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง การเกิดฟองน้อยที่สุดเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาเกือบทุกครั้ง แต่โชคร้ายที่อิมัลซิไฟเออร์จำนวนมากมีคุณสมบัติในการเกิดฟองสูง ดังนั้นผู้ผลิตจึงต้องเลือกเกรดอิมัลซิไฟเออร์ที่เหมาะสมเพื่อลดการเกิดฟอง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทำให้ความต้องการอิมัลซิไฟเออร์เพิ่มมากขึ้น-เรียกว่าต่ำ-สารทำให้เกิดฟอง

ความเสถียรทางชีวภาพ

ความเสถียรทางชีวภาพเป็นดัชนีประสิทธิภาพที่สำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับอิมัลซิไฟเออร์ หากอิมัลซิไฟเออร์มีความเสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพจากแบคทีเรียในระยะยาว-เมื่อใช้งานตามระยะเวลาที่กำหนด การกำจัดน้ำมันหล่อเย็นที่ใช้แล้วจะกลายเป็นปัญหาอย่างมาก ซึ่งส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม-กฎระเบียบด้านการคุ้มครองมีอิทธิพลอย่างมากต่อการเลือกใช้อิมัลซิไฟเออร์และควบคุมอุตสาหกรรมทั้งหมด

สารทำให้เกิดอิมัลชันแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ได้แก่ แอนไอออนิก แคทไอออนิก แอมโฟเทอริก และไม่ใช่แอนไอออนิก-ตระกูลไอออนิกและตระกูลอื่นๆ ล้วนสอดคล้องกับสารเคมีที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นที่คุ้นเคยกันดีในระดับจุลภาค-ผู้เชี่ยวชาญด้านเคมี ข้อความนี้จะไม่ลงรายละเอียดในคำอธิบายที่เป็นที่นิยมของแต่ละประเภท ในอุตสาหกรรมของเรา ไอออนลบและไอออนที่ไม่ใช่ไอออนลบ-อิมัลซิไฟเออร์ชนิดไอออนิกเป็นสารที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีความหลากหลายในผลิตภัณฑ์สูง ในแต่ละประเภทจะมีโครงสร้างโมเลกุลหลายแบบที่มีคุณสมบัติในการทำให้เกิดอิมัลชันแตกต่างกัน โดยแต่ละแบบมีจุดแข็งและจุดอ่อนเฉพาะตัว มักมีการผสมสารเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อลดปริมาณการใช้และเพิ่มความเสถียรของอิมัลชัน

ไม่มีกฎเกณฑ์ตายตัวสำหรับการกำหนดสูตรอิมัลซิไฟเออร์ ตัวแปรต่างๆ รวมถึงความแตกต่างของส่วนประกอบพื้นฐาน-น้ำมันถึง-be-อิมัลซิไฟเออร์, อัตราส่วนการผสมอิมัลซิไฟเออร์, การบริการ-สภาพแวดล้อม ข้อกำหนดพิเศษของลูกค้า และผลกระทบจากสารเติมแต่งอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การทดลองให้คำตอบที่เป็นรูปธรรม การทดสอบการทำให้เป็นอิมัลชันนั้นค่อนข้างง่ายที่จะดำเนินการ แม้ไม่มีพื้นฐานทางทฤษฎี ก็สามารถได้สูตรที่ใช้ได้ผลผ่านการทดลองซ้ำๆ แม้ว่าจะต้องเสียเวลาไปบ้างก็ตาม สารลดแรงตึงผิวที่เกี่ยวข้อง-ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ซึ่งช่วยเร่งการพัฒนานั้นได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี-ได้รับการบันทึกไว้ในเอกสารที่มีอยู่และมีความเหมาะสมอย่างเต็มที่สำหรับการแก้ไขปัญหาด้านการสร้างอิมัลชันที่พบในอุตสาหกรรมของเรา