Die Wissenschaft der Tenside: Oberflächenspannung und Adsorptionsmechanismen

Bei der Formulierung von Körperpflegeprodukten – wie Shampoos, Körperwaschmitteln und Gesichtsreinigern – sind Tenside der Hauptbestandteil.

Schlüsselfunktionen wie Entfettung, Schmutzentfernung, antistatische Wirkung und Emulgierung sind im Wesentlichen makroskopische Ausdrucksformen der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Tensiden.

Um hocheffiziente Reinigungsformulierungen zu entwickeln, müssen Formulierer zwei grundlegende physikalisch-chemische Konzepte genau verstehen: Oberflächenspannung und Adsorption.

1. Oberflächenspannung: Die Schwelle zur Reinigung

Das auffälligste Merkmal einer Tensidlösung ist ihre niedrige Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung.

Gemäß den Benetzungsprinzipien verteilt sich eine Flüssigkeit umso besser auf einer festen Oberfläche, je niedriger die Oberflächenspannung ist. Benetzung ist Voraussetzung für alle Reinigungsvorgänge.

Erst wenn die Reinigungslösung Haut, Haare und die Mikroporen des Bodens vollständig benetzt, kann eine anschließende Emulgierung, Dispersion und Solubilisierung erfolgen.

Darüber hinaus reduziert eine niedrige Grenzflächenspannung Öl/Wasser die für die Emulgierung erforderliche Energie erheblich. Dies trägt dazu bei, flüssiges Fett in winzige Tröpfchen aufzubrechen und diese im Wasser zu stabilisieren, wodurch eine effiziente Entfettung erreicht wird.

2. Entfernung von flüssigem Schmutz: Aufrollen und Emulgieren

Die Entfernung von flüssigem, öligem Schmutz ist ein klassischer Prozess der Grenzflächenchemie. Im Allgemeinen werden die folgenden Schritte ausgeführt:

1. Benetzung: Tensidmoleküle benetzen zunächst die Oberfläche der Haut oder des Haares.

2. Aufrollmechanismus: Tenside adsorbieren an der Grenzfläche zwischen Öl und Substrat. Dadurch verändert sich der Kontaktwinkel. Der Ölfilm zieht sich zusammen, verdickt sich und „rollt“ schließlich unter der Scherkraft des Wassers zu Tröpfchen auf.

3. Grenzflächenstabilisierung: Tensidmoleküle richten sich an der Öl/Wasser-Grenzfläche aus. Dadurch wird die Oberflächenspannung gesenkt und ein mechanischer Film gebildet. Dieser Film verhindert, dass sich die emulgierten Öltröpfchen vermischen (Koaleszenz) oder sich erneut auf der Oberfläche ablagern.

3. Anionische Tenside: Die Kraft der elektrostatischen Abstoßung

In der traditionellen Waschtheorie sind anionische Tenside (wie SLES, SLS und Aminosäuretenside) oft die erste Wahl. Sie bieten hervorragende Benetzungs-, Schaum- und elektrostatische Eigenschaften.

Ihr Mechanismus zum Entfernen fester Verschmutzungen beruht stark auf elektrostatischer Wirkung :

• Unpolarer Boden (z. B. Ruß, Paraffin): Anionische Tenside adsorbieren über Van-der-Waals-Kräfte zwischen ihren hydrophoben Ketten und dem Schmutz Die hydrophilen Köpfe sind dem Wasser zugewandt und verleihen dem Schmutz eine hohe Dichte an negativen Ladungen. auf der Schmutzoberfläche .

• Elektrostatische Abstoßung: Da Haut- und Haaroberflächen typischerweise eine negative Ladung tragen, kommt es zu einer starken elektrostatischen Abstoßung zwischen den Schmutzpartikeln und dem Untergrund. Diese Kraft drückt den Schmutz weg und verhindert eine erneute Ablagerung.

Hinweis: Bei positiv geladenem Schmutz kann eine kleine Menge eines anionischen Tensids zu Verklumpungen führen. In diesem Fall ist eine höhere Dosierung zur Bildung erforderlich

4. Nichtionische Tenside: Sterische Hinderung und Entfettung

Nichtionische Tenside (wie APGs und Alkoholethoxylate) bestehen aus hydrophoben Alkylketten und hydrophilen Polyoxyethylenketten (PEO). Ihr Reinigungsmechanismus unterscheidet sich grundlegend von anionischen:

1. Hervorragende Entfettung:
   Nichtionische Tenside entfernen im Allgemeinen ölige Verschmutzungen besser als anionische Tenside. Dies liegt an ihrer niedrigeren kritischen Mizellenkonzentration (CMC) und ihrer überlegenen Fähigkeit, Fett zu lösen.

2. Sterische Stabilisierung:
   Bei der Adsorption an festem Boden verankert sich der hydrophobe Schwanz im Schmutz. Die große hydrophile Kette reicht bis ins Wasser. Dadurch entsteht eine dicke Hydratationsschicht um das Partikel herum. Diese Schicht bildet eine physikalische Barriere, die als sterische Hinderung bekannt ist . Es verhindert, dass sich Schmutzpartikel aneinander annähern oder sich wieder am Untergrund festsetzen.

3. Auswirkungen auf geladene Oberflächen:
   Obwohl nichtionische Tenside keine Ladung tragen, sorgt ihre Adsorption für Stabilität, die häufig einfache elektrostatische Effekte überwiegt. Dadurch wird die Stabilität des Dispersionssystems deutlich verbessert.

5. Erkenntnisse für die Formulierung: Die Nuancen der polaren Adsorption

Es ist wichtig, einen Sonderfall bei nichtionischen Tensiden auf polaren Oberflächen (wie geschädigtem, hydrophilem Haar) zu beachten.

Die Ethersauerstoffatome in der hydrophilen Gruppe können Wasserstoffbrückenbindungen mit Hydroxylgruppen auf der Oberfläche bilden. Dadurch adsorbiert der hydrophile Kopf an der Oberfläche, während der hydrophobe Schwanz dem Wasser zugewandt ist. Theoretisch wird die Oberfläche dadurch hydrophob, was für das Waschen mit Wasser ungünstig ist.

In tatsächlichen Formulierungen wird dieses Problem jedoch durch Mischen mit anionischen Tensiden gelöst. Durch die Kombination der Ladungsvorteile anionischer Stoffe mit der Emulgierkraft nichtionischer Stoffe können Formulierer synergistische Ergebnisse erzielen, die die Leistung einzelner Komponenten übertreffen.

Zusammenfassung

Das Verständnis der Reduzierung der Oberflächenspannung und des komplexen Adsorptionsverhaltens (einschließlich elektrostatischer Abstoßung, sterischer Hinderung und Doppelschichtadsorption) ist die Grundlage für leistungsstarke Körperpflegeprodukte.

Erfahrene Formulierer manipulieren diese mikroskopischen Kräfte, um makroskopische Ergebnisse zu liefern: überlegene Reinigungskraft und ein ausgezeichnetes Hautgefühl.