ทำความเข้าใจเกี่ยวกับสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกในบทความเดียว——ประเภทกรดอะมิโนและประเภทเบทาอีน

สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริก คือสารลดแรงตึงผิวที่มีทั้งหมู่ไฮโดรฟิลิกประจุลบและหมู่ไฮโดรฟิลิกประจุบวกอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดคือสามารถให้และรับโปรตอนได้ โดยทั่วไปแล้ว สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกมีประสิทธิภาพดีในการซัก การกระจายตัว การทำให้เกิดอิมัลชัน การฆ่าเชื้อ การทำให้เส้นใยนุ่ม และการป้องกันไฟฟ้าสถิต สามารถใช้เป็นสารช่วยในการตกแต่งผ้า สารช่วยในการย้อมสี สารช่วยกระจายตัวของสบู่แคลเซียม สารลดแรงตึงผิวสำหรับการซักแห้ง และสารยับยั้งการกัดกร่อนของโลหะ เป็นต้น มีคุณสมบัติในการทำให้ผ้านุ่ม เรียบลื่น และป้องกันไฟฟ้าสถิตได้ดีเยี่ยม มีคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียและเชื้อรา และมีคุณสมบัติในการทำให้เกิดอิมัลชันและการกระจายตัวที่ดี อย่างไรก็ตาม สารลดแรงตึงผิวประเภทนี้มีราคาค่อนข้างสูง และขอบเขตการใช้งานจริงค่อนข้างจำกัดกว่าสารลดแรงตึงผิวประเภทอื่น จัดเป็นสารลดแรงตึงผิวชนิดอ่อน แตกต่างจากสารลดแรงตึงผิวประจุลบหรือประจุบวกเพียงอย่างเดียว สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกมีโมเลกุลที่มีทั้งหมู่กรดและหมู่เบสอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของโมเลกุล หมู่กรดส่วนใหญ่เป็นหมู่คาร์บอกซิล กรดซัลโฟนิก หรือฟอสเฟต ในขณะที่หมู่เบสเป็นหมู่เอมีโนหรือหมู่ควอเทอร์นารีแอมโมเนียม สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกสามารถผสมกับสารลดแรงตึงผิวประจุลบและสารลดแรงตึงผิวที่ไม่มีประจุได้ และทนต่อกรด ด่าง เกลือ และเกลือโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ

ปัจจุบัน สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกสังเคราะห์ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่มีหมู่คาร์บอกซิเลตเป็นส่วนประกอบประจุลบ โดยบางชนิดมีหมู่ซัลโฟเนต ส่วนส่วนประกอบประจุบวกส่วนใหญ่จะเป็นเกลืออะมีนหรือเกลือแอมโมเนียมควอเทอร์นารี สารที่มีเกลืออะมีนเป็นส่วนประกอบประจุบวกเรียกว่าชนิดกรดอะมิโน ส่วนสารที่มีเกลือแอมโมเนียมควอเทอร์นารีเป็นส่วนประกอบประจุบวกเรียกว่าชนิดเบทาอีน

1. ชนิดของกรดอะมิโน

สารละลายในน้ำของสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดกรดอะมิโนมีฤทธิ์เป็นด่าง เมื่อเติมกรดไฮโดรคลอริกอย่างช้าๆ พร้อมกับการคน จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เมื่อสารละลายเป็นกลาง จะเกิดตะกอนขึ้นเมื่อสารละลายมีฤทธิ์เป็นกรดเล็กน้อย หากเติมกรดไฮโดรคลอริกเพิ่มเพื่อให้สารละลายมีฤทธิ์เป็นกรดสูง ตะกอนจะละลายไปอีกครั้ง นี่แสดงให้เห็นว่าสารนี้มีพฤติกรรมเป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง และเป็นสารลดแรงตึงผิวประจุบวกในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณสมบัติของประจุบวกและประจุลบสมดุลกันอย่างพอดีที่จุดไอโซอิเล็กทริก ความชอบน้ำจะลดลง ส่งผลให้เกิดตะกอนขึ้น ประจุลบในโมเลกุลคือหมู่คาร์บอกซิล และประจุบวกคือเกลือแอมโมเนียม สารลดแรงตึงผิวประเภทนี้แสดงกิจกรรมบนพื้นผิวที่แตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของค่า pH ของตัวกลาง ตัวอย่างเช่น กรดโดเดซิลอะมิโนโพรพิโอนิก (C12H25N+H2CH2CH2COO-) สามารถเปลี่ยนเป็นโซเดียมโดเดซิลอะมิโนโพรพิโอเนต (C12H25NHCH2CH2COO-Na+) ในตัวกลางโซเดียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่ละลายน้ำได้ ในตัวกลางกรดไฮโดรคลอริก มันสามารถเปลี่ยนเป็นเกลือไฮโดรคลอไรด์ของกรดโดเดซิลอะมิโนโพรพิโอนิก [(C12H25N+H2CH2CH2COOH)Cl-] ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุบวกที่ละลายน้ำได้ หากปรับค่า pH ของตัวกลางให้ประจุบวกและประจุลบสมดุลกันอย่างพอดี มันจะเปลี่ยนเป็นเกลือภายใน (C12H25N+H2CH2CH2COO-) ซึ่งละลายน้ำได้น้อยและตกตะกอนออกมา ค่า pH ณ จุดนี้เรียกว่าจุดไอโซอิเล็กทริก เพื่อให้สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดกรดอะมิโนออกฤทธิ์ได้อย่างเต็มที่ ต้องใช้ในสารละลายน้ำที่มีค่า pH แตกต่างจากจุดไอโซอิเล็กทริก วัตถุดิบที่ใช้กันทั่วไปในการเตรียมสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดกรดอะมิโน ได้แก่ เอมีนปฐมภูมิแบบอะลิฟาติกที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ เมทิลอะคริเลต (ดูที่เอสเทอร์ของอะคริเลต) อะคริโลไนไตรล์ และกรดคลอโรอะซิติก

1. Bประเภทอีเทน

สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดเบทาอีนมีคุณสมบัติเด่นที่สุดคือสามารถละลายได้ในสารละลายที่เป็นน้ำ ไม่ว่าจะเป็นกรด กลาง หรือด่าง และไม่ตกตะกอนแม้ที่จุดไอโซอิเล็กทริก นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่ดีอื่นๆ เช่น การซึมผ่าน การทำความสะอาด และประสิทธิภาพในการป้องกันไฟฟ้าสถิต ดังนั้นจึงเป็นสารทำให้เกิดอิมัลชันและสารปรับผ้านุ่มที่ดี

คาร์บอกซีเบทาอีน

แอนไอออนในโมเลกุลคือหมู่คาร์บอกซิล และแคตไอออนคือหมู่ควอเทอร์นารีแอมโมเนียม ตัวอย่างเช่น อัลคิลไดเมทิลเบทาอีน [RN+(CH3)2CH2COO-] โดยที่หมู่แอลคิล R มีคาร์บอนอะตอม 12 ถึง 18 อะตอม เมื่อเปรียบเทียบกับกรดอะมิโนประเภทต่างๆ เบทาอีนสามารถละลายในน้ำได้ทั้งในสภาวะกรด กลาง หรือด่าง และไม่ตกตะกอนแม้ที่จุดไอโซอิเล็กทริก ดังนั้นจึงสามารถใช้ในสารละลายในน้ำที่มี pH ใดๆ ก็ได้ ในสภาวะกรด เมื่อ pH ต่ำกว่าจุดไอโซอิเล็กทริก มันจะทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุบวกที่ละลายน้ำได้ [[RN+(CH3)2CH2COOH]Cl-]; ในสภาวะกลางหรือด่าง กล่าวคือ เมื่อ pH เท่ากับหรือสูงกว่าจุดไอโซอิเล็กทริก มันจะทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวแอมโฟเทอริกที่ละลายน้ำได้และไม่ทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบ สารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกมีแนวโน้มที่จะเกิดตะกอนกับสารลดแรงตึงผิวแบบแอนไอออนิกเฉพาะในสภาวะที่เป็นกรดเท่านั้น สามารถใช้ร่วมกับสารลดแรงตึงผิวชนิดใดก็ได้ในสภาวะที่มีค่า pH ต่างๆ วัตถุดิบที่ใช้กันทั่วไปในการเตรียมสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดเบทาอีน ได้แก่ อัลคิลไดเมทิลเทอร์เทียรีเอมีนและโซเดียมคลอโรอะซิเตต เป็นต้น

ซัลโฟเบเทน

หมู่แอนไอออนในโมเลกุลคือหมู่ซัลโฟ (SO3-) และหมู่แคตไอออนคือหมู่ควอเทอร์นารีแอมโมเนียม ที่ใช้กันทั่วไปคือ อัลคิลไดเมทิลซัลโฟเนทิลเบทาอีน [RN+(CH3)2CH2CH2SO3-] และอัลคิลไดเมทิลซัลโฟโพรพิลเบทาอีน [RN+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-] จำนวนอะตอมคาร์บอนในหมู่แอลคิล R ในสูตรมีตั้งแต่ 12 ถึง 18 ซัลโฟเบทาอีนมีคุณสมบัติที่ครอบคลุม ไม่เพียงแต่มีข้อดีทั้งหมดของเบทาอีนทั่วไปเท่านั้น แต่ยังมีข้อดีเฉพาะตัว เช่น ทนต่อกรด ด่าง และเกลือที่มีความเข้มข้นสูง ปัจจุบันมีการใช้ไฮดรอกซีซัลโฟโพรพิล [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2SO3-] แทนซัลโฟโพรพิลเบทาอีน เนื่องจากมีสารที่เป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ในระหว่างกระบวนการผลิต เนื่องจากมีทั้งกลุ่มประจุลบและประจุบวกที่มีหมู่ไฮดรอกซิลอยู่ในโครงสร้าง ทำให้สารลดแรงตึงผิวชนิดนี้ไม่เพียงแต่มีข้อดีของสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกเท่านั้น แต่ยังทนต่อกรด ด่าง และเกลือที่มีความเข้มข้นสูง มีคุณสมบัติในการทำให้เกิดอิมัลชัน การกระจายตัว และการป้องกันไฟฟ้าสถิตที่ดี รวมถึงคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และความยืดหยุ่น พวกมันเป็นสารลดแรงตึงผิวที่มีประสิทธิภาพโดยรวมยอดเยี่ยมและถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา เช่น สารเคมีในชีวิตประจำวัน การเคลื่อนย้ายน้ำมันในแหล่งน้ำมัน การแตกหิน และการใช้กรด

ฟอสโฟลิปิดเบทาอีน

หมู่แอนไอออนในโมเลกุลคือหมู่ฟอสเฟต (HPO4-) และหมู่แคทไอออนคือหมู่ควอเทอร์นารีแอมโมเนียม ตัวอย่างเช่น อัลคิลไดเมทิลไฮดรอกซีโพรพิลฟอสเฟตเบทาอีน [RN+(CH3)2CH2CH(OH)CH2HPO4-] โดยที่หมู่แอลคิล R มีคาร์บอนอะตอม 12 ถึง 18 อะตอม โครงสร้างนี้ทำให้สารนี้ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมของสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริก เช่น ความสามารถในการเปียก การทำความสะอาด การละลาย การทำให้เกิดอิมัลชันและการกระจายตัว คุณสมบัติป้องกันไฟฟ้าสถิต ความเสถียรทางความร้อน รวมถึงความเข้ากันได้ดี การระคายเคืองต่ำ และข้อดีเหนือกว่าสารลดแรงตึงผิวแอนไอออนิกทั่วไป เช่น ความทนทานต่อด่าง ความทนทานต่ออิเล็กโทรไลต์ และคุณสมบัติป้องกันไฟฟ้าสถิตที่ดีกว่า แต่ยังมีความสามารถในการกระจายตัวของสบู่แคลเซียมที่แข็งแรง แรงตึงผิวต่ำ และประสิทธิภาพการเกิดฟองที่ดีเยี่ยมอีกด้วย