Змочувальний ефект, вимога: HLB: 7-9
Змочування визначається як явище, коли газ, адсорбований на твердій поверхні, витісняється рідиною. Речовини, які можуть посилити цю здатність витіснення, називаються змочувальними агентами. Змочування зазвичай поділяється на три типи: контактне змочування (адгезійне змочування), занурювальне змочування (занурювальне змочування) та розтікання (розтікання). Серед них розтікання є найвищим стандартом змочування, а коефіцієнт розтікання часто використовується як показник для оцінки ефективності змочування між різними системами. Крім того, кут контакту також є критерієм для оцінки якості змочування. Поверхнево-активні речовини можуть бути використані для контролю ступеня змочування між рідкою та твердою фазами.
У пестицидній промисловості деякі гранульовані препарати та порошки, що розпилюються, також містять певну кількість поверхнево-активних речовин. Їх метою є покращення адгезії та кількості пестициду, що осідає на поверхні, прискорення швидкості вивільнення та розширення площі поширення активних інгредієнтів у вологих умовах, тим самим підвищуючи ефективність профілактики та лікування захворювань.
У косметичній промисловості поверхнево-активні речовини діють як емульгатори та є незамінними компонентами в засобах догляду за шкірою, таких як креми, лосьйони, засоби для очищення обличчя та засоби для зняття макіяжу.
Міцели та солюбілізація,вимоги: C > CMC (HLB 13–18)
Мінімальна концентрація, за якої молекули поверхнево-активної речовини об'єднуються, утворюючи міцели. Коли концентрація перевищує значення ККМ, молекули поверхнево-активної речовини розташовуються в такі структури, як сферичні, паличкоподібні, пластинчасті або пластинчасті конфігурації.
Системи солюбілізації є термодинамічно рівноважними системами. Чим нижча ККМ і чим вищий ступінь асоціації, тим більша максимальна концентрація добавки (ГДК). Вплив температури на солюбілізацію відображається у трьох аспектах: вона впливає на утворення міцел, розчинність солюбілізатів і розчинність самих поверхнево-активних речовин. Для іонних поверхнево-активних речовин їхня розчинність різко зростає зі зростанням температури, і температура, за якої відбувається це різке збільшення, називається точкою Краффта. Чим вища точка Краффта, тим нижча критична концентрація міцел.
Для поліоксіетиленових неіоногенних поверхнево-активних речовин, коли температура підвищується до певного рівня, їх розчинність різко падає і відбувається випадання осаду, що призводить до помутніння розчину. Це явище відоме як помутніння, а відповідна температура називається точкою помутніння. Для поверхнево-активних речовин з однаковою довжиною поліоксіетиленового ланцюга, чим довший вуглеводневий ланцюг, тим нижча точка помутніння; навпаки, при однаковій довжині вуглеводневого ланцюга, чим довший поліоксіетиленовий ланцюг, тим вища точка помутніння.
Неполярні органічні речовини (наприклад, бензол) мають дуже низьку розчинність у воді. Однак додавання поверхнево-активних речовин, таких як олеат натрію, може значно підвищити розчинність бензолу у воді — цей процес називається солюбілізацією. Солюбілізація відрізняється від звичайного розчинення: солюбілізований бензол не рівномірно диспергований у молекулах води, а затримується в міцелах, утворених іонами олеату. Рентгенівська дифракція підтвердила, що всі типи міцел розширюються різною мірою після солюбілізації, тоді як колігативні властивості всього розчину залишаються практично незмінними.
Зі збільшенням концентрації поверхнево-активних речовин у воді молекули поверхнево-активних речовин накопичуються на поверхні рідини, утворюючи щільно упакований, орієнтований мономолекулярний шар. Надлишкові молекули в об'ємній фазі агрегуються своїми гідрофобними групами, зверненими всередину, утворюючи міцели. Мінімальна концентрація, необхідна для ініціювання утворення міцел, визначається як критична концентрація міцел (ККМ). При цій концентрації розчин відхиляється від ідеальної поведінки, і на кривій залежності поверхневого натягу від концентрації з'являється чітка точка перегину. Подальше збільшення концентрації поверхнево-активної речовини більше не зменшуватиме поверхневий натяг; натомість воно сприятиме безперервному росту та розмноженню міцел в об'ємній фазі.
Коли молекули поверхнево-активних речовин диспергуються в розчині та досягають певного порогу концентрації, вони об'єднуються з окремих мономерів (іонів або молекул) у колоїдні агрегати, які називаються міцелами. Цей перехід викликає різкі зміни фізичних та хімічних властивостей розчину, а концентрація, за якої це відбувається, і є ККМ. Процес утворення міцел називається міцелізацією.
Утворення міцел у водних розчинах поверхнево-активних речовин – це процес, що залежить від концентрації. У надзвичайно розбавлених розчинах вода та повітря майже безпосередньо контактують, тому поверхневий натяг зменшується лише незначно, залишаючись близьким до поверхневого натягу чистої води, при цьому в об'ємній фазі дисперговано дуже мало молекул поверхнево-активних речовин. Зі збільшенням концентрації поверхнево-активної речовини, молекули швидко адсорбуються на поверхні води, зменшуючи площу контакту між водою та повітрям і спричиняючи різке падіння поверхневого натягу. Тим часом деякі молекули поверхнево-активних речовин в об'ємній фазі агрегуються з вирівняними гідрофобними групами, утворюючи невеликі міцели.
У міру зростання концентрації та досягнення розчином насичення адсорбції на поверхні рідини утворюється щільно упакована мономолекулярна плівка. Коли концентрація досягає КМЦ, поверхневий натяг розчину досягає свого мінімального значення. За межами КМЦ подальше збільшення концентрації поверхнево-активної речовини майже не впливає на поверхневий натяг; натомість воно збільшує кількість та розмір міцел в об'ємній фазі. Потім у розчині переважають міцели, які служать мікрореакторами в синтезі нанопорошків. З подальшим збільшенням концентрації система поступово переходить у рідкокристалічний стан.
Коли концентрація водного розчину поверхнево-активної речовини досягає ККМ, зі збільшенням концентрації стає помітним утворення міцел. Це характеризується точкою перегину на кривій залежності поверхневого натягу від логарифмічної концентрації (крива γ–log c), а також появою неідеальних фізичних та хімічних властивостей у розчині.
Міцели іонних поверхнево-активних речовин несуть високі поверхневі заряди. Завдяки електростатичному притяганню протиіони притягуються до поверхні міцели, нейтралізуючи частину позитивних і негативних зарядів. Однак, як тільки міцели утворюють високозаряджені структури, сила гальмування іонної атмосфери, утвореної протиіонами, значно зростає — властивість, яку можна використовувати для регулювання диспергованості нанопорошків. З цих двох причин еквівалентна провідність розчину швидко зменшується зі збільшенням концентрації за межами ККМ, що робить цю точку надійним методом визначення критичної концентрації міцели поверхнево-активних речовин.
Структура міцел іонних поверхнево-активних речовин зазвичай сферична, складається з трьох частин: ядра, оболонки та дифузного подвійного електричного шару. Ядро складається з гідрофобних вуглеводневих ланцюгів, подібних до рідких вуглеводнів, з діаметром приблизно від 1 до 2,8 нм. Метиленові групи (-CH₂-), що прилягають до полярних головних груп, мають часткову полярність, утримуючи деякі молекули води навколо ядра. Таким чином, ядро міцели міститьзначну кількість захопленої води, і ці -CH₂- групи не повністю інтегровані в рідкоподібне вуглеводневе ядро, а натомість утворюють частину нерідкої оболонки міцели.
Міцелярна оболонка також відома як межа розділу міцела-вода або поверхнева фаза. Це не стосується макроскопічної межі розділу між міцелами та водою, а скоріше області між міцелами та мономерним водним розчином поверхнево-активної речовини. Для іонних міцел поверхнево-активних речовин оболонка утворена найглибшим шаром Штерна (або фіксованим адсорбційним шаром) подвійного електричного шару товщиною приблизно від 0,2 до 0,3 нм. Оболонка містить не тільки іонні головні групи поверхнево-активних речовин та частину зв'язаних протиіонів, але й гідратаційний шар, зумовлений гідратацією цих іонів. Міцелярна оболонка не має гладкої поверхні, а скоріше є «шорсткою» межею розділу, що є результатом коливань, спричинених тепловим рухом молекул мономерів поверхнево-активної речовини.
У неводних середовищах (на основі олії), де переважають молекули олії, гідрофільні групи поверхнево-активних речовин агрегуються всередину, утворюючи полярне ядро, тоді як гідрофобні вуглеводневі ланцюги утворюють зовнішню оболонку міцели. Цей тип міцели має обернену структуру порівняно зі звичайними водними міцелами і тому називається зворотною міцелою; навпаки, міцели, що утворюються у воді, називаються нормальними міцелами. На рисунку 4 показано схематичну модель зворотних міцел, утворених поверхнево-активними речовинами в неводних розчинах. В останні роки зворотні міцели широко використовуються в синтезі та отриманні нанорозмірних носіїв ліків, зокрема для інкапсуляції гідрофільних ліків.
Час публікації: 26 грудня 2025 р.