界面活性剤

油が水に懸濁したミセルの模式図。水中油乳化液に見られるような構造です。この例では、界面活性剤分子の油溶性末端は油相(青)に突出し、水溶性末端は水相(赤)と接触したままになっています。

界面活性剤は、2つの液体、液体と気体、または液体と固体の間の表面張力または界面張力を低下させる化合物です。界面活性剤という言葉は、「surface-active agent(表面活性剤)」[ 1 ]を合成したもので、 1950年に造語されました[ 2 ]。界面活性剤は撥水性と親水性の成分から構成されており、乳化剤として作用し、水と油を混ぜ合わせます。また、泡を形成し、汚れの除去を促進する効果もあります。

界面活性剤は、最も広く利用され、商業的に重要な化学物質の一つです。一般家庭だけでなく多くの産業においても、洗剤や洗浄剤として大量に使用されていますが、乳化剤、湿潤剤、発泡剤、帯電防止剤、分散としても使用されています。

界面活性剤は、セイヨウトチノキソープナッツなどの伝統的な植物由来洗剤に天然に含まれています。また、一部の毛虫の分泌物にも含まれています。最も一般的に使用されている陰イオン界面活性剤の一部である直鎖アルキルベンゼン硫酸塩(LAS)は、石油製品から製造されています。しかし、界面活性剤は、砂糖、植物油由来の脂肪アルコール、バイオ燃料生産の副産物、その他の生物由来物質など、再生可能なバイオマスから、全部または一部が製造されることが増えています。[ 3 ]

分類

界面活性剤は、親水性の「頭部」と疎水性の「尾部」を持つ化合物です。界面活性剤の「頭部」は極性を持ち、電荷を帯びている場合とそうでない場合があります。ほとんどの界面活性剤の「尾部」はほぼ同様で、多くの場合、炭化水素鎖(直鎖または分岐)で構成され、芳香族ユニットを含む場合があります。一般的に、界面活性剤は頭部基の極性によって分類されます。非イオン性界面活性剤は頭部に荷電基を持ちません。イオン性界面活性剤の頭部は、正または負の電荷を帯びます。電荷が負の場合、界面活性剤はより具体的には陰イオン性界面活性剤と呼ばれ、電荷が正の場合、陽イオン性界面活性剤と呼ばれます。界面活性剤が2つの反対の電荷を持つ基を持つ頭部を持つ場合、両性イオン性界面活性と呼ばれます。

界面活性剤は、その頭皮の構成に応じて、非イオン性、陰イオン性、陽イオン性、両性に分類されます。

ただし、界面活性剤は化学構造に基づいて分類したり、特性や用途に基づいて分類することもできます。

電荷/極性による分類

陰イオン性:硫酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩、カルボン酸塩誘導体

陰イオン界面活性剤は、硫酸塩スルホン酸塩リン酸塩カルボン酸塩などの陰イオン官能基をその頭部に有します。代表的なアルキル硫酸塩としては、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸ナトリウム(ドデシル硫酸ナトリウム、SLS、またはSDS)、および関連するアルキルエーテル硫酸塩であるラウレス硫酸ナトリウム(ラウリルエーテル硫酸ナトリウム、SLES)、ミレス硫酸ナトリウムなどがあります。

ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム
4-(5-ドデシル)ベンゼンスルホン酸塩は、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩であり、最も一般的な界面活性剤の1つである。

その他には次のものがあります:

ステアリン酸ナトリウムは、ほとんどの石鹸の最も一般的な成分であり、市販の界面活性剤の約50%を占めています。

カルボン酸塩は最も一般的な界面活性剤であり、ステアリン酸ナトリウムなどのカルボン酸塩(石鹸)を構成します。より特殊な界面活性剤としては、ラウロイルサルコシンナトリウムや、パーフルオロノナン酸パーフルオロオクタン酸(PFOAまたはPFO) などのカルボン酸塩ベースのフッ素系界面活性剤があります。

カチオン性ヘッドグループ

このレビューではカチオン界面活性剤について詳細に説明されている。[ 4 ]

pH依存性の第一級、第二級、または第三級アミン。第一級および第二級アミンはpH < 10で正に帯電する:[ 5 ]オクテニジン二塩酸塩

永久的に荷電した第四級アンモニウム塩臭化セトリモニウム(CTAB)、塩化セチルピリジニウム(CPC)、塩化ベンザルコニウム(BAC)、塩化ベンゼトニウム(BZT)、塩化ジメチルジオクタデシルアンモニウム臭化ジオクタデシルジメチルアンモニウム(DODAB)。

両性イオン界面活性剤

両性イオン界面活性剤は同一分子にカチオン中心とアニオン中心の両方が結合しています。カチオン部分は、第一級、第二級、第三級アミンまたは第四級アンモニウムカチオンに基づいています。アニオン部分はより多様で、CHAPS(3-[(3-コールアミドプロピル)ジメチルアンモニウム]-1-プロパンスルホネート)やコカミドプロピルヒドロキシスルタイン などのスルフィネートが含まれます。コカミドプロピルベタインなどのベタインは、アンモニウムとのカルボキシレートを有します。最も一般的な生物学的両性イオン界面活性剤は、アミンまたはアンモニウムとのリン酸アニオンを有し、リン脂質のホスファチジルセリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルコリンスフィンゴミエリンなどがこれにあたります。

ラウリルジメチルアミンオキシドミリスチンアミンオキシドは、第三級アミンオキシド構造型の一般的に使用される 2 つの両性イオン界面活性剤です。

非イオン性

非イオン界面活性剤は、疎水性の親構造に共有結合した酸素含有親水基を有しています。酸素基の水溶性は水素結合によるものです。水素結合は温度上昇とともに減少するため、非イオン界面活性剤の水溶性も温度上昇とともに減少します。

非イオン界面活性剤は、陰イオン界面活性剤に比べて水の硬度の影響を受けにくく、泡立ちも弱い。非イオン界面活性剤の種類間の違いはわずかであり、選択は主に特殊な特性(例えば、有効性と効率、毒性、皮膚への適合性、生分解性)にかかるコスト、あるいは食品への使用許可を考慮して決定される。[ 6 ]

エトキシレート

多くの重要な界面活性剤は、極性の強いアニオン基で末端が覆われたポリエーテル鎖を含んでいます。ポリエーテル基は、界面活性剤の親水性を高めるために、しばしばエトキシル化(ポリエチレンオキシドに類似)された配列から構成されます。逆に、ポリプロピレンオキシドは界面活性剤の親油性を高めるために挿入されることがあります(ポロキサマーも参照) 。

脂肪族アルコールエトキシレート
アルキルフェノールエトキシレート(APEまたはAPEO)
脂肪酸エトキシレート

脂肪酸エトキシレートは、弱陰イオン性でpH応答性のヘッドグループと、安定化および温度応答性のエチレンオキシドユニットを単一分子内に組み合わせた、非常に用途の広い界面活性剤の一種です。[ 7 ]

特殊エトキシル化脂肪酸エステルおよびオイル
エトキシル化アミンおよび/または脂肪酸アミド
ポリヒドロキシ化合物の脂肪酸エステル
グリセロール脂肪酸エステル
ソルビトール脂肪酸エステル

スパン:

トゥイーン

ショ糖脂肪酸エステル
アルキルポリグルコシド

アルキルポリグリコシド(APG)は、グルコースなど)と脂肪族アルコールから作られる非イオン界面活性剤の一種です。再生可能な資源から製造され、高い生分解性と低刺激性を備えています。そのため、洗剤、化粧品、その他の用途に広く使用されています。[ 8 ] [ 9 ]

化学構造による分類

ほとんどの界面活性剤は、飽和または不飽和炭化水素をベースとした「テール」で構成されています。フッ素系界面活性剤はフルオロカーボン鎖を有し、シロキサン系界面活性剤はシロキサン鎖を有します。

ジェミニアミノ酸系界面活性剤(システインベース)

界面活性剤分子は1本か2本の鎖を持ち、2本の鎖を持つものは二重鎖と呼ばれます。[ 10 ]

アミノ酸系界面活性剤は、アミノ酸から誘導される界面活性剤です。その特性は様々で、使用されるアミノ酸の種類や、アルキル鎖/アリール鎖と縮合するアミノ酸の部位によって、陰イオン性、陽イオン性、両性イオン性のいずれかになります。[ 11 ]

ジェミニ界面活性剤は、 2つの界面活性剤分子が頭部またはその近傍で結合した構造をしています。モノマー界面活性剤と比較して、臨界ミセル濃度ははるかに低くなります。[ 11 ]

特性/用途による分類

タイプ 関数
洗剤ミセルを形成して汚れや油分を除去 洗濯洗剤
発泡剤気液界面を安定化する シェービングフォーム、ビールヘッド
湿潤剤接触角を低くすることで液体が固体上で広がりやすくなります 塗料、インク
分散剤固体粒子の凝集を防ぐ 塗料中の顔料分散剤
乳化剤エマルジョン(水中油滴または油中水の液滴混合物) を安定化するマヨネーズ、ローション[ 12 ]
可溶化剤溶けにくい物質を溶かす 水性スプレーの香水
コンディショナー髪や肌に有効成分を浸透させる ヘアコンディショナー(多くの場合、カチオン界面活性剤)

構成と構造

ミセル模式図 –界面活性剤イオンの親油性末端は、水よりも油と強く相互作用するため、油中に留まります。ミセルを覆う界面活性剤分子の極性「頭部」は水とより強く相互作用するため、親水性の外層を形成し、ミセル間のバリアを形成します。これにより、ミセルの疎水性コアである油滴が、ミセルのより少数のより大きな液滴に融合する(「エマルジョン破壊」)のが抑制されます。ミセルを覆う化合物は典型的には両親媒性であるため、ミセルは水中油滴のようなプロトン性溶媒の液滴としても、油中水滴のようなプロトン性溶媒の液滴としても安定します。液滴が非プロトン性の場合、逆ミセルと呼ばれることがあります。

界面活性剤は両親媒性を持つ(通常は有機の)化合物で、分子内に親水性の「水を求める」基(頭部)と疎水性の「水を避ける」基(尾部)がそれぞれ含まれている。[ 13 ] その結果、界面活性剤には水溶性成分と非水溶性成分の両方が含まれる。界面活性剤は水中で拡散し、空気と水の界面、または水と油が混合している場合は油と水の界面に吸着される。水不溶性の疎水性基はバルクの水相から空気や油相などの非水相へと広がることがあるが、水溶性の頭部基は水相に結合したままである。

疎水性末端基は、その化学的性質に応じて、親油性(「油を吸着する」)または疎油性(「油を吸着しない」)のいずれかになります。炭化水素基は通常親油性で、石鹸や洗剤に使用されます。一方、フッ素系炭素基は疎油性で、汚れをはじいたり表面張力を低下させたりするのに使用されます。

界面活性剤の世界生産量は年間1500万トンと推定されており、そのうち約半分は石鹸です。特に生産量が多い界面活性剤としては、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩(年間170万トン)、リグニンスルホン酸塩(年間60万トン)、脂肪族アルコールエトキシレート(年間70万トン)、アルキルフェノールエトキシレート(年間50万トン)などがあります。[ 6 ]

水中の界面活性剤相の構造

バルク水相では、界面活性剤はミセルなどの凝集体を形成します。ミセルでは、疎水性の尾部が凝集体の中心となり、親水性の頭部が周囲の液体と接触しています。球状または円筒状のミセルや脂質二重層など、他のタイプの凝集体も形成されます。凝集体の形状は、界面活性剤の化学構造、つまり親水性の頭部と疎水性の尾部のサイズのバランスによって決まります。このバランスの尺度が親水性親油性バランス(HLB) です。界面活性剤は、液体と空気の界面に吸着することで水の表面張力を低下させます。表面張力と表面過剰を結び付ける関係は、ギブス等温線として知られています。

界面における界面活性剤のダイナミクス

界面活性剤の吸着のダイナミクスは、泡や液滴が急速に生成され、安定化させる必要がある発泡、乳化、コーティングプロセスなどの実際のアプリケーションにとって非常に重要です。吸収のダイナミクスは界面活性剤の拡散係数に依存します。界面が生成されると、界面への界面活性剤の拡散によって吸着が制限されます。場合によっては、界面活性剤の吸着または脱着に対するエネルギー障壁が存在することがあります。このような障壁が吸着速度を制限する場合、ダイナミクスは「速度論的に制限される」と言われます。このようなエネルギー障壁は、立体反発または静電反発による可能性があります。界面活性剤層の表面レオロジー、層の弾性や粘度などは、泡やエマルジョンの安定性に重要な役割を果たします。

界面および界面活性剤層の特性評価

界面張力と表面張力は、ペンダント法やスピニングドロップ法などの古典的な方法で特性評価できます。動的表面張力、すなわち時間の関数としての表面張力は、最大気泡圧装置によって得ることができます。

界面活性剤層の構造は、偏光解析法X線反射率法によって研究することができます。

表面レオロジーは、振動滴法、または二重円錐、二重リング、磁気ロッドせん断表面レオメータなどのせん断表面レオメータによって特性評価できます。

アプリケーション

界面活性剤は、表面および界面特性を改変する能力を持つことから広く利用されており、疎水性物質と親水性物質の相互作用を伴うプロセスにおいて重要な役割を果たします。界面活性剤は両親媒性(親水性部分と疎水性部分の両方を含む)であるため、本来混ざり合わない成分同士を架橋し、混合を促進し、様々な物理的・化学的変換の効率を高めます。そのため、界面活性剤は界面相互作用の制御が重要な多くの分野で有用です。

界面活性剤は、洗剤、柔軟エンジンオイルエマルジョン石鹸、塗料接着剤インク防曇剤、スキーワックス、スノーボードワックス、浮選、洗浄、酵素処理、下剤など、多くの実用的な用途や製品において、洗浄湿潤分散剤、乳化剤、発泡剤、消泡剤として重要な役割を果たしています。

食品業界

特定の界面活性剤は、食品の乳化剤発泡剤として使用されます。例は食品添加物リストに記載されています。

飲用ココアパウダー中のココア脂肪のアルカリ化(鹸化)は、ミルクの表面張力を低下させ、半脂肪ココアパウダーのより速い湿潤または懸濁を可能にするのに役立ちます。

パーソナルケアとホームケア

界面活性剤は、洗濯物や体に付着した油脂や汚れの粒子の「溶解性」を高めるために 、洗剤、食器用洗剤シャンプーシャワージェルなどの製品に使用されています。

柔軟剤には、洗濯物が乾いたときに固くなるのを防ぐカチオン界面活性剤が含まれている場合があります。

医薬品および化粧品

乳化剤は、スキンクリームなどの油中水型エマルジョンの製造に不可欠です。また、液状医薬品製剤を維持するための様々な懸濁液にも必要です。

植物保護製品

植物保護製品には、植物への濡れ性(広がりやすさ)を向上させる界面活性剤が含まれています。最も一般的な湿潤剤はエトキシル化牛脂アミンです。トリシロキサンやポリオキシエチル化脂肪族アルコールも使用されます。[ 14 ]界面活性剤を使用する農薬製剤には、除草剤(一部)、殺虫剤殺生物剤(殺菌剤)などがあります。[ 15 ]

界面活性剤は、綿パッドや包帯の基質から空気を置換する作用があり、薬液を吸収させて様々な部位に塗布できるようにします。また、洗剤を用いて傷口を洗浄する際に汚れや異物を除去する作用もあります[ 16 ]。また、薬用ローションやスプレーを皮膚や粘膜表面に塗布する際にも界面活性剤は作用します[ 17 ] 。界面活性剤は、土壌洗浄、バイオレメディエーション、ファイトレメディエーションによる修復を促進します[ 18 ] 。

多くの殺精子剤には界面活性剤(ノノキシノール-9など)が含まれています。

生化学

溶液中では、界面活性剤は凝集体を解離し、タンパク質を変性させることで、様々な化学種の可溶化を促進します。生化学の研究室でよく使われる界面活性剤は、ラウリル硫酸ナトリウム(SDS)と臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)です。界面活性剤は、細胞や組織を溶解してタンパク質を抽出するための重要な試薬です。界面活性剤は膜の脂質二重層(SDS、トリトンX-100X-114CHAPSDOCNP-40 )を分解し、タンパク質を可溶化します。オクチルチオグルコシドオクチルグルコシドドデシルマルトシドなどのよりマイルドな界面活性剤は、酵素受容体などの膜タンパク質を変性させずに可溶化するために使われます。可溶化されなかった物質は、遠心分離などの方法で回収されます。たとえば、電気泳動の場合、タンパク質は伝統的に SDS で処理され、天然の三次構造と四次構造が変性され、分子量に応じてタンパク質を分離できるようになります。

界面活性剤は臓器の脱細胞化にも用いられてきました。このプロセスでは、タンパク質マトリックスが維持され、臓器の構造、そして多くの場合、微小血管網も維持されます。このプロセスは、ラットの肝臓や心臓などの臓器移植の準備に効果的に利用されてきました。[ 19 ]肺サーファクタントは、哺乳類肺胞のII型細胞からも自然に分泌されます。

テクノロジー

帯電防止剤

イオン性界面活性剤は、プラスチック表面の静電気帯電を防ぐ外部帯電防止剤としても機能します(ESD保護)。この目的には、アニオン性界面活性剤とカチオン性界面活性剤の両方が使用されています[9]。

繊維仕上げ

フルオロテロマーアルコール(FTOH)などのパーフルオロ界面活性剤は、繊維、カーペット、建築製品などのコーティング剤として使用され、撥水性や撥油性を付与または強化します。しかし、PFC類に属するこれらの界面活性剤は、残留性が高く、実質的に分解されないため、批判の対象となっています。

冷却潤滑剤

界面活性剤は、金属切削作業中に効果的な冷却と潤滑を提供するために、水混合冷却潤滑剤(油中水型エマルジョン)に使用されます。

プリンターインク

界面活性剤はインクジェットプリンターのインクの粘度を調整します。界面活性剤の量が不足すると顔料が凝集し、量が多すぎると印刷中にインクが過度に流動的になります。

紙のリサイクル

紙のリサイクルでは、界面活性剤が紙の繊維からインク粒子を剥離(脱墨)し、インクを表面に移すのを助けます。

石油・鉱業

アルカリ界面活性剤ポリマーは、油井における油の流動化に使用されます。また、界面活性剤は、鉱石から銅などの鉱物を分離するフロス浮選プロセスにおいても重要な役割を果たします。

消防

界面活性剤は、消防(可燃性物質に素早く浸透する「湿った水」を作るため[ 20 ] [ 21 ])やパイプライン(液体抵抗低減剤) に使用されています。

「湿式消火」は、消火水が木材や布地などの燃焼物に浸透しやすく、冷却能力を高めるという利点があります。さらに、界面活性剤を混合した消火水は、その流動性向上作用により、同じポンプ能力でより遠くまで散布できます。液体火災の消火に使用される特殊な発泡剤(水性膜形成泡消火剤、AFFF)には、パーフルオロ界面活性剤が含まれており、燃焼物と泡の間に気密性の高い液膜を形成します。これにより、泡ブランケットに優れた滑り特性が付与され、大規模な液体火災の効果的な消火が可能になります。

液滴ベースマイクロ流体における界面活性剤

界面活性剤は、液滴ベースのマイクロ流体工学において、液滴の安定化とインキュベーション中の液滴の融合防止に重要な役割を果たしている。 [ 22 ]

人間の身体と自然

レシチンに含まれるホスファチジルコリンは、広く存在する生物学的界面活性剤です。コリンリン酸基、グリセロール一価不飽和脂肪酸飽和脂肪酸を示しています。

人体は多様なサーファクタントを産生します。肺サーファクタントはで産生され、全肺容量肺コンプライアンスを増加させることで呼吸を補助します。呼吸窮迫症候群(RDS)では、サーファクタント補充療法により、サーファクタントの医薬品を用いて正常な呼吸を維持します。医薬品肺サーファクタントの一例として、アッヴィ社テクジマ社が製造するサーバンタ(ベラクタント)またはそのジェネリック医薬品であるベラクサーフが挙げられます。肝臓で産生されるサーファクタントである胆汁酸塩は、消化において重要な役割を果たします。[ 23 ]

東南アジアに生息するガの一種、 Spodoptera exigua に属する特定の幼虫は、界面活性剤を含む分泌物を捕食者に向けて吐き出します。これにより、アリの攻撃を阻止し、幼虫自身の逃走を助けます。幼虫の口腔分泌物に含まれる界面活性剤は、アリの表面張力を低下させます。この分泌物は、通常の水のようにアリの撥水性の皮膚を滑り落ちるのではなく、攻撃者をびしょ濡れにします。影響を受けたアリはその後、体を清潔にするため、幼虫は逃げるのに十分な時間を得ます。[ 24 ]

安全と環境リスク

ほとんどの陰イオン界面活性剤と非イオン界面活性剤は無毒で、LD50は食塩と同程度です。抗菌抗真菌作用を持つ第四級アンモニウム化合物の毒性は様々です。柔軟剤として使用されるジアルキルジメチルアンモニウムクロリド(DDACDSDMAC)はLD50が高く(5g/kg)、本質的に無毒ですが、消毒剤であるアルキルベンジルジメチルアンモニウムクロリドのLD50は0.35g/kgです。界面活性剤は皮膚やその他の細胞を保護する脂質膜を破壊するため、界面活性剤に長時間さらされると皮膚を刺激して損傷する可能性があります。皮膚への刺激は、一般的に非イオン界面活性剤、両性界面活性剤、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤の順に増加します。[ 6 ]

界面活性剤は、意図されたプロセスの一部として、あるいは産業廃棄物や家庭廃棄物として、様々な方法で陸上や水系に日常的に堆積します。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

陰イオン界面活性剤は、下水汚泥の施用、排水灌漑、浄化プロセスの結果として土壌中に存在します。界面活性剤の濃度が比較的高い場合、多価金属と共存すると環境リスクとなる可能性があります。低濃度の場合、界面活性剤の施用は微量金属の移動性に有意な影響を与える可能性は低いと考えられます。[ 28 ] [ 29 ]

ディープウォーター・ホライズン原油流出事故では、前例のない量のコレクシットが流出箇所と海面に直接散布されました。その理論は、界面活性剤が油滴を分離し、石油を消費する微生物が油を分解しやすくするというものだったようです。コレクシットの有効成分は、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム(DOSS)、ソルビタンモノオレエート(Span 80)、およびポリオキシエチレン化ソルビタンモノオレエート(Tween-80)です。[ 30 ] [ 31 ]

生分解

環境に放出される界面活性剤の量、例えば洗濯用洗剤が水中に放出される量を考えると、その生分解性は大きな関心事です。特に注目されているのは、フッ素系界面活性剤、例えばパーフルオロオクタン酸(PFOA)の非生分解性と極めて高い残留性です。[ 32 ]分解を促進する戦略としては、オゾン処理と生分解があります。[ 33 ] [ 34 ] 2つの主要な界面活性剤、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩(LAS)とアルキルフェノールエトキシレート(APE)は、下水処理場や土壌中の好気性条件下で分解され、内分泌攪乱物質であると考えられているノニルフェノールになります。[ 35 ] [ 36 ] 生分解性界面活性剤への関心は、アミノ酸由来のものなどの「バイオ界面活性剤」への関心を高めています。[ 37 ]バイオベースの界面活性剤は、生分解性を向上させることができます。しかし、界面活性剤が魚の細胞を傷つけたり、水域に泡の山を形成したりするかどうかは、主にその化学構造に依存しており、使用された炭素が化石資源、二酸化炭素、またはバイオマス由来のものであるかどうかには依存しません。[ 3 ]

参照

参考文献

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