Ba. chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là thành phần quan trọng trong lĩnh vực sản xuất mỹ phẩm, đặc biệt trong mối quan hệ giữa hệ keo và bề mặt tiếp xúc, chúng có thể tương tác và hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc làm giảm đáng kể sức căng bề mặt. Chất hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng, chúng được dùng để: nhũ hóa, hòa tan, thấm ướt và làm sạch. Có nhiều loại chất hoạt động bề mặt trên thị trường, nhưng về cơ bản chúng được chia thành hai loại theo cấu trúc của chúng: ưa nước và ưa nước. Các chất hoạt động bề mặt kỵ nước có thể được chia thành ion và không ion, và các nhóm kỵ nước thường chứa hydrocacbon, fluorocacbon và các thành phần silicon.
1. hlb
Chất hoạt động bề mặt có chứa cả nhóm ưa nước và nhóm ưa nước trong công thức, để đánh giá phần nào tốt hơn thì người ta dựa vào chỉ số hlb. HLB (Cân bằng Hydrophile-Lipophile) được gọi là cân bằng dầu-nước và có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 40. Hlb càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước và Hlb càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan.
hlb có thể được tính bằng nhiều công thức khác nhau. Griffin đã nghiên cứu các nhũ tương và tính toán các giá trị HLB cho từng chất hoạt động bề mặt. Một cách khác là j. Tôn. davies, người đã tính toán hlb dựa trên số nhóm ưa nước và ưa nước trên mỗi chất hoạt động bề mặt:
Trong đó: chỉ số hlb = tổng giá trị của các nhóm ưa nước +
Tổng giá trị nhóm dầu gốc +7
Các giá trị của nhóm ưa nước-ưa nước được liệt kê trong bảng sau:
-so3na
nấu ăn
– Kuna
n – amin bậc bốn
Ester (Sorbitan)
Ester (-cooh,-oh,
-o-, -oh)
21,2
19.1
9,4
6,8
2,4
-ch-
-ch2-
-ch
=ch-
Các nhóm khác
-(ch2-ch2-o)-
-(ch2-ch2-ch2-o)-
-0,475
-0,475
-0,475
0,33
-0,15
Ngoài ra, theo kawakami, chỉ số hlb có thể tính theo khối lượng của nhóm ưa nước và nhóm ưa nước, công thức như sau:
Trong số đó, mw là khối lượng của nhóm ưa nước và mo là khối lượng của nhóm ưa nước.
Vì chỉ số hlb của từng thành phần đã được tính toán sẵn nên việc tính toán hlb của chất nhũ hóa cần thiết để nhũ hóa hỗn hợp thành phần sẽ thuận tiện hơn. Ví dụ: chúng ta có hỗn hợp gồm 10% sáp ong (hlb 15), 53% parafin lỏng (hlb 10) và 37% xăng dầu (hlb 10.5). Do đó, yêu cầu về hlb cần thiết để tạo nhũ tương d/n được tính như sau:
Như vậy để nhũ hóa hỗn hợp trên ta cần chất nhũ hóa có chỉ số hlb từ 10-11. Bảng dưới đây cung cấp thông tin hlb cho một số nguyên liệu thô.
Parafin lỏng (nhẹ)
Parafin lỏng (nặng)
Vaseline (trắng)
Sáp vi tinh thể
Parafin (rắn)
Dầu, mỡ, sáp từ thực vật và động vật
Dầu bông
Sáp nến
Sáp Carnauba
sáp ong
Lanolin (khan)
Axit, cồn béo khác
Axit stearic
Rượu Cetyl
Dầu silicone (g.e.)
4
4
–
4
–
–
–
5
8
–
–
–
10,5
10,5
9,5
9
7,5
14,5
14,5
16-10
15
17
13
10,5
Chỉ số hlb rất hiệu quả và thuận tiện trong việc xác định tính chất của chất hoạt động bề mặt. Mối quan hệ giữa giá trị hlb và lượng chất hoạt động bề mặt được sử dụng như sau:
4-6
7-9
18-8
13-15
15-18
Nhũ tương nước/dầu
Dưỡng ẩm
Nhũ tương dầu/nước
Chất tẩy rửa
Hòa tan
Shinoda nhận thấy rằng chỉ số hlb của chất hoạt động bề mặt không ion thay đổi theo nhiệt độ trong quá trình nghiên cứu, do đó đề xuất một khái niệm liên quan gọi là nhiệt độ hlb. Nhiệt độ HLB là nhiệt độ tại đó tính ưa nước và ưa béo của chất hoạt động bề mặt đạt đến trạng thái cân bằng. Nhũ tương d/n được hình thành ở nhiệt độ thấp hơn hlb và nhũ tương n/d được hình thành ở nhiệt độ cao hơn hlb.
2. Sự hình thành mixen
Khi ở nồng độ loãng, dung dịch chất hoạt động bề mặt có tính chất tương tự như dung dịch thông thường, nhưng khi tăng từ từ đến một nồng độ nhất định, các phân tử chất hoạt động bề mặt này bắt đầu kết tụ lại với nhau, tạo thành khối cầu, khối trụ hoặc màng: vỏ ưa nước và lõi thân dầu trong dung dịch ưa nước. môi trường, và ngược lại vỏ thân dầu, các đứt gãy ưa nước trong môi trường ưa nước. Sự hình thành các mixen, kích thước và số lượng của chúng phụ thuộc vào chỉ số cân bằng ưa béo (hlb) và bản chất của từng chất hoạt động bề mặt.
Nồng độ chất hoạt động bề mặt tại thời điểm hình thành micelle được gọi là nồng độ micelle tới hạn (cmc), ranh giới này gây ra nhiều biến đổi về tính chất lý hóa của hệ như vật lý (dung dịch thành keo), sức căng bề mặt, tính thẩm thấu áp suất, điểm đóng băng…
Nồng độ micelle tới hạn (cmc) có thể được xác định bằng cách thay đổi nồng độ chất hoạt động bề mặt cho đến khi xảy ra thay đổi vật lý trong hệ thống. cmc được xác định bởi các nhóm ưa nước và sức mạnh tuyệt đối của các nhóm ưa nước.
Trong thực tế, chất hữu cơ thường không tan trong nước mà hòa tan trong các mixen của chất hoạt động bề mặt, quá trình này gọi là quá trình hòa tan. Vì vậy, chất hoạt động bề mặt được xem như chất trung gian hòa tan giữa chất hữu cơ (gốc dầu) và dung môi ưa nước. Độ hòa tan này phụ thuộc vào số lượng và kích thước của mixen, số lượng càng nhiều thì khả năng hòa tan càng tốt, mixen càng lớn thì chất hữu cơ càng dễ hòa tan.