SUROWCE I FIZYKOCHEMIA FORM KOSMETYCZNYCH. Dr inż. Beata W. Domagalska

Transkrypt

1 SUROWCE I FIZYKOCHEMIA FORM KOSMETYCZNYCH Dr inż. Beata W. Domagalska beata.domagalska@wszkipz.pl

2 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Oddziaływania pomiędzy cieczą a substancją obcą występują na poziomie: Molekularnym (ciecz, ciało stałe, gaz) ROZTWORY Makromolekularnym (polimery stałe lub ciekłe) ROZTWORY KOLOIDALNE Makroskopowym (c. Stałe lub ciecze) ZAWIESINY I EMULSJE 2

3 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Siły elektrostatyczne przyciągające lub odpychające Siły van der Waalsa przyciągające siły dalekiego zasięgu Londona (siły dyspersyjne) oddziaływania typu dipol indukowany dipol - oddziaływania Debaye'a (siły indukcyjne) siły orientacyjne (oddziaływania Keesoma) wzajemne oddziaływanie stałych dipoli Oddziaływania steryczne 3

4 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE woda oleje 4

5 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE o k t a n o k t a n I o k t a n o k t a n Wzrost entropii układu II 5

6 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE SIŁA ODDZIAŁYWAŃ MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH WARUNKUJE ENERGIĘ WEWNĘTRZNĄ UKŁADU Niska energia wewnętrzna układ stabilny Wysoka energia wewnętrzna układ niestabilny 6

7 ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Oddziaływania woda (W) - substancja rozpuszczona (SR) W-SR silne/silniejsze niż W-W energia wewnętrzna układu maleje SR rozpuszcza się, często z wydzieleniem ciepła, powstaje układ stabilny Na, NaCl, Et, gliceryna, aminokwasy... W-SR słabe/bardzo słabe rozpraszanie SR zakłóca stabilny układ, energia wewnętrzna rośnie SR nie rozpuszcza się AgCl, alkohol cetylowy, olej, nafta 7

8 ROZPUSZCZANIE W CIECZACH HYDROFOBOWYCH Olej NaCl Olej woda Olej etanol Olej alkohol cetylowy Olej lanolina Olej nafta Brak rozpuszczania Rozpuszczanie 8

9 UKŁADY HYDROFILOWE UKŁADY HYDROFOBOWE Roztwór rzeczywisty Woda Et Roztwór Olej alkohol cetylowy Roztwór koloidalny Woda białko Koloid Olej metyloceluloza Zawiesina Woda TiO2 Zawiesina Olej sadza lampowa 9

10 Roztwór rzeczywisty Woda Et Koloid Woda białko 10

11 O oddziaływaniach z wodą decyduje budowa cząsteczki H3C CH3 Pełna solwatacja Bardzo słaba solwatacja lub brak solwatacji H O COR Częściowa solwatacja H H H O O CH3 Silna solwatacja 11

12 NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Siła styczna do powierzchni (dążąca do jej zmniejszenia) lub praca (W) potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej (A) o jednostkę W = A [J/m2] 1J=Nm [N/m] 12

13 NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Napięcie powierzchniowe wybranych czystych cieczy w temperaturze 20 C Ciecz Eter dietylowy 17,0 Alkohol etylowy 22,3 Alkohol metylowy 22,6 Aceton Czterochlorek węgla 23,7 26,9 Toluen 28,4 Benzen 28,9 Olej rycynowy 36,0 Anilina 42,9 Gliceryna 63,4 Woda destylowana 72,75 Rtęć Napięcie powierzchniowe [mn/m]

14 NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury 76,00 napięcie powierchniowewody [mn/m] 75,50 Napięcie powierzchniowe 75,00 czystych cieczy zmniejsza 74,50 74,00 się wraz ze wzrostem 73,50 73,00 temperatury, 72,50 w temperaturze krytycznej 72,00 71,50 71, osiągając wartość zerową Temperatura [oc] 14

15 NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Zależność napięcie powierzchniowego od stężenia elektolitów w T=20ºC A-NaCl B-KBr C-KI D-KNO3 15

16 NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE Wpływ dodatku alkoholi na napięcie powierzchniowe wody A - alkohol metylowy (30ºC), B alkohol etylowy (25ºC) C alkohol n-propylowy (15C), D alkohol izopropylowy(15ºc), E alkohol izoamylowy (15ºC) 16

17 SURFAKTANTY CZYLI ŚRODKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE 17

18 ZWIĄZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE (zpc) CnH2n+1, γ CnH2n+1CO, CnH2n+1NH2, CnH2n+1SH CnH2n+1 n = 1, 2, 3, 4 C 18

19 SUBSTANCJE AMFIPATYCZNE (zwane także amfifilami z grec. dosłownie obolubne) substancje, które w swojej asymetrycznej strukturze molekularnej posiadają polarne lub jonotwórcze grupy atomów i jednocześnie grupy niepolarne lub słabo polarne (pochodzenia węglowodorowego) 19

20 SURFAKTANTY Surface active agent Część (grupa) hydrofilowa Część (grupa) hydrofobowa 1 - adsorpcja 2 - micelizacja 20

21 SURFAKTANTY ZPC Obniżają napięcie powierzchniowe Obniżają napięcie powierzchniowe i tworzą agregaty micelarne powyżej CMC EMULGATORY W literaturze branżowej i patentach środki powierzchniowo czynne, detergenty Inne określenia - tenzydy 21

22 ADSORPCJA NA GRANICY FAZ: CIECZ GAZ gromadzenie się na granicy faz, w nadmiarze w stosunku do stężenia w głębi faz, cząsteczek jednego (lub więcej) składników fazy objętościowej ADSORPCJA ABSORPCJA przenikania jednej substancji w masę drugiej substancji 22

23 Wzrost entropii układu 23

24 SURFAKTANTY 24

25 MICELIZACJA RÓWNOWAGA W ROZTWORZE MICELARNYM 25

26 BUDOWA MICELI Mikrośrodowisko miceli: C hydrofobowy rdzeń, P warstwa palisadowa, H warstwa polarna, B roztwór 26

27 BUDOWA SURFAKTANTÓW 27

28 SURFAKTANTY JONOWE SURFAKTANTY ANIONOWE XY H2O X- + Y+ -, 3-COO, -OSO -PO, -SO X = Y+ = Na+, K+, NH4+, Izopropyloamina, Mono-, di- i trietanoloamina (MEA, DEA, TEA) 28

29 SURFAKTANTY ANIONOWE 29

30 SURFAKTANTY JONOWE SURFAKTANTY KATIONOWE XY H2O X+ + Y- X+ = -N+, S+, -P+ Y- = Cl-, Br-, HSO4-, ClO4-30

31 SURFAKTANTY KATIONOWE 31

32 SURFAKTANTY NIEJONOWE XY XY = O N H N O W kwaśnym środowisku mogą ulegać jonizacji!!! 32

33 33 SURFAKTANTY NIEJONOWE

34 SURFAKTANTY AMFOTERYCZNE ph 34

35 BUDOWA SURFAKTANTÓW 35

36 O O C N CH2CH2CH2 (CH2)n CH3 O (CH2)n CH3 N,N-di-n-alkiloglukonamidy N-(CH2)nCH3 CH3 N O C N CH2CH2CH2 O N-acylo-N-alkiloamino1-deoksyglucitole O (CH2)n CH3 N C (CH2)n CH3 N H N-alkilo-N,N`-bis[(3-Dglukonamido)]propylo]aminy O N CH3 O (CH 2)nCH 3 N-alkiloglukozydy dodecylmalono-bis-n-metyloglukamidy CH3 C N (CH2)n CH3 O PRZYKŁADOWE STRUKTURY SURFAKTANTÓW CUKROWYCH N-alkilo-N-metyloglukonamidy O O H H NC(CH2)n CN O O CH3(CH2)3O O O CH3(CH2)nC N (CH2)m CH3(CH2)n C N O bis(n-alkanoilo-1-amino-1-deoksy-d-glucitylo)alkany O O NH C NH (CH2)nCH3 (CH2)nCH3 O 7,7-bis[(1,2,3,4,5-pentahydroksy heksanoamido)metylo]-n-alkany N,N`-bis(β-D-galaktopiranozylo)alkano -α,ω-dikarbarboksyamid α,ω-diglukonamidoalkany O N (CH2)n N (CH2)nCH 3 O O C (CH 2)3 C O O O O(CH2)3CH3 1,5-bis-[6-O-(n-butylo-α-Dglukopiranozydo)]glutarat 36

37 Critical Micellar Concentration - CMC Krytyczne stężenie micelizacji STĘŻENIE PRZY KTÓRYM W ROZTWORZE TWORZĄ SIĘ MICELE UWAGA! Wartość stała dla danego związku w danej temperaturze! 37

38 38

39 WPŁYW TEMPERATURY NA WARTOŚĆ CMC 39

40 WPŁYW DODATKU ELEKTROLITU NA CMC ALKILOSIARCZANU SODOWEGO 40

41 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA CMC W przypadku surfaktantów posiadających pojedyncze łańcuchy węglowodorowe głównym czynnikiem determinującym wartość CMC jest wielkość części hydrofobowej Rozgałęzienie łańcucha węglowodorowego oraz obecność wiązań podwójnych prowadzi do wzrostu CMC w porównaniu z odpowiednim związkiem n-alkilowym Przy takim samym łańcuchu alkilowym CMC surfaktantów niejonowych jest mniejsze niż jonowych 41

42 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA CMC Temperatura nieznacznie wpływa na CMC i nie ma jednoznacznych zależności Dodatek elektrolitów bardzo nieznacznie wpływa na CMC surfaktantów niejonowych Wpływ dodatku elektrolitów jest wyraźny w przypadku surfaktantów jonowych Dodatek nieelektrolitu wpływa na wartość CMC ale rodzaj zmian zależy od budowy dodatku Alkohole obniżają cmc i najsłabiej wpływa etanol a najmocniej dekanol 42

43 ZALEŻNOŚĆ WYBRANYCH PARAMETRÓW FIZYKOCHEMICZNYCH OD STĘŻENIA SURFAKTANTU 43

44 44

45 45

46 WPŁYW TEMPERATURY NA ROZPUSZCZANIE SUBSTANCJI Podgrzewanie roztworu = dostarczanie energii Wiele związków chemicznych lepiej rozpuszcza się na ciepło Zależność liniowa ZPC zachowują się nietypowo Jonowe ZPC Przekroczenie pewnej, charakterystycznej temperatury powoduje drastyczne poprawienie rozpuszczalności Punkt Kraffta Niejonowe spc Przekroczenie pewnej temperatury powoduje POGORSZENIE rozpuszczalności - punkt zmętnienia 46

47 ROZPUSZCZALNOŚĆ SUBSTANCJI AMFIFILOWYCH w niskiej temperaturze zazwyczaj niska o całkowitej rozpuszczalności decyduje rozpuszczalność monomerów w wyższej temperaturze rozpuszczalność gwałtownie rośnie o rozpuszczalności decyduje rozpuszczalność micel 47

48 48

49 49