Khoa học về chất hoạt động bề mặt: Cơ chế hấp phụ và sức căng bề mặt

Trong công thức của các sản phẩm chăm sóc cá nhân—chẳng hạn như dầu gội, sữa tắm và sữa rửa mặt— chất hoạt động bề mặt là thành phần cốt lõi.

Các chức năng chính như tẩy dầu mỡ, loại bỏ đất, tác dụng chống tĩnh điện và nhũ hóa về cơ bản là những biểu hiện vĩ mô về tính chất vật lý và hóa học của chất hoạt động bề mặt.

Để thiết kế các công thức làm sạch hiệu quả cao, người lập công thức phải hiểu sâu sắc hai khái niệm hóa lý cốt lõi: Sức căng bề mặt và Hấp phụ.

1. Sức căng bề mặt: Ngưỡng làm sạch

Đặc điểm khác biệt nhất của dung dịch chất hoạt động bề mặt là sức căng bề mặt và sức căng bề mặt thấp.

Theo nguyên tắc làm ướt, sức căng bề mặt của chất lỏng càng thấp thì nó càng lan rộng trên bề mặt rắn. Làm ướt là điều kiện tiên quyết cho tất cả các quá trình làm sạch.

Chỉ khi dung dịch làm sạch làm ướt hoàn toàn da, tóc và các vi lỗ chân lông của đất thì quá trình nhũ hóa, phân tán và hòa tan mới xảy ra.

Hơn nữa, sức căng bề mặt dầu/nước thấp làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết cho quá trình nhũ hóa. Điều này giúp phá vỡ dầu mỡ lỏng thành những giọt nhỏ và ổn định chúng trong nước, đạt được hiệu quả tẩy nhờn hiệu quả.

2. Loại bỏ đất lỏng: Cuộn lại và nhũ hóa

Việc loại bỏ đất dầu lỏng là một quá trình hóa học cổ điển. Nó thường tuân theo các bước sau:

1. Làm ướt: Các phân tử chất hoạt động bề mặt đầu tiên làm ướt bề mặt da hoặc tóc.

2. Cơ chế cuộn lên: Chất hoạt động bề mặt hấp phụ ở bề mặt tiếp xúc giữa dầu và chất nền. Điều này thay đổi góc tiếp xúc. Màng dầu co lại, dày lên và cuối cùng 'cuộn' thành những giọt dưới lực cắt của nước.

3. Ổn định bề mặt: Các phân tử chất hoạt động bề mặt thẳng hàng với bề mặt phân cách dầu/nước. Điều này làm giảm sức căng bề mặt và tạo thành một lớp màng cơ học. Lớp màng này ngăn không cho các giọt dầu nhũ hóa sáp nhập (kết tụ) hoặc tái lắng đọng trên bề mặt.

3. Chất hoạt động bề mặt anion: Sức mạnh của lực đẩy tĩnh điện

Trong lý thuyết giặt truyền thống, chất hoạt động bề mặt anion (như SLES, SLS và chất hoạt động bề mặt axit amin) thường là lựa chọn chính. Chúng có đặc tính làm ướt, tạo bọt và tĩnh điện tuyệt vời.

Cơ chế loại bỏ đất rắn của chúng phụ thuộc rất nhiều vào tác dụng tĩnh điện :

• Đất không phân cực (ví dụ: Than đen, Paraffin): Chất hoạt động bề mặt anion hấp phụ trên bề mặt bụi bẩn thông qua lực Van der Waals giữa chuỗi kỵ nước của chúng và bụi bẩn. Các đầu ưa nước hướng về phía nước, tạo cho bụi bẩn mật độ điện tích âm cao.

• Lực đẩy tĩnh điện: Vì bề mặt da và tóc thường mang điện tích âm nên lực đẩy tĩnh điện mạnh xảy ra giữa các hạt bụi bẩn và chất nền. Lực này đẩy bụi bẩn đi và ngăn chặn sự tái lắng đọng.

Lưu ý: Đối với bụi bẩn tích điện dương, một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt anion có thể gây vón cục. Trong trường hợp này, cần dùng liều lượng cao hơn để hình thành

4. Chất hoạt động bề mặt không ion: Trở ngại không gian và tẩy dầu mỡ

Các chất hoạt động bề mặt không ion (như APG và Alcohol Ethoxylate) bao gồm chuỗi alkyl kỵ nước và chuỗi polyoxyethylene ưa nước (PEO). Cơ chế làm sạch của chúng về cơ bản khác với anion:

1. Tẩy dầu mỡ vượt trội:
   Các chất hoạt động bề mặt không chứa ion thường loại bỏ vết dầu mỡ tốt hơn so với chất hoạt động bề mặt anion. Điều này là do Nồng độ Micelle tới hạn (CMC) thấp hơn và khả năng hòa tan dầu mỡ vượt trội.

2. Ổn định không gian:
   Khi hấp phụ trên đất rắn, đuôi kỵ nước bám vào bụi bẩn. Chuỗi ưa nước lớn kéo dài vào trong nước. Điều này tạo ra một lớp hydrat hóa dày xung quanh hạt. Lớp này tạo thành một rào cản vật lý, được gọi là Trở ngại không gian . Nó ngăn chặn các hạt bụi bẩn đến gần nhau hoặc bám lại vào bề mặt.

3. Tác động lên bề mặt tích điện:
   Mặc dù các chất hoạt động bề mặt không ion không mang điện tích, nhưng khả năng hấp phụ của chúng mang lại sự ổn định thường vượt trội hơn các hiệu ứng tĩnh điện đơn giản. Điều này cải thiện đáng kể tính ổn định của hệ thống phân tán.

5. Hiểu biết sâu sắc về công thức: Sắc thái của sự hấp phụ phân cực

Điều quan trọng cần lưu ý là một trường hợp đặc biệt liên quan đến chất hoạt động bề mặt không ion trên các bề mặt phân cực (như tóc bị hư tổn, ưa nước).

Các nguyên tử oxy ether trong nhóm ưa nước có thể hình thành liên kết hydro với các nhóm hydroxyl trên bề mặt. Điều này làm cho phần đầu ưa nước hấp phụ lên bề mặt, trong khi phần đuôi kỵ nước hướng về phía nước. Về mặt lý thuyết, điều này làm cho bề mặt kỵ nước, không thuận lợi cho việc rửa bằng nước.

Tuy nhiên, trong các công thức thực tế , vấn đề này được giải quyết bằng cách trộn với chất hoạt động bề mặt anion. Bằng cách kết hợp các ưu điểm về điện tích của chất anion với khả năng nhũ hóa của chất không ion, các nhà pha chế có thể đạt được kết quả hiệp đồng vượt trội hơn so với các thành phần đơn lẻ.

Bản tóm tắt

Hiểu được sự giảm sức căng bề mặt và các hành vi hấp phụ phức tạp (bao gồm lực đẩy tĩnh điện, lực cản không gian và hấp phụ hai lớp) là nền tảng của các sản phẩm chăm sóc cá nhân hiệu suất cao.

Các nhà chế tạo có tay nghề cao vận dụng các lực cực nhỏ này để mang lại kết quả vĩ mô: khả năng làm sạch vượt trội và cảm giác da tuyệt vời.