در فرمولاسیونهای شوینده و سامانههای حاوی آب و فازهای چرب، انتخاب یک ماده اولیه را نمیتوان صرفاً بر اساس عنوانهایی مانند «امولسیفایر» یا «سورفکتانت» انجام داد. عملکرد ماده به ساختار مولکولی، ماهیت گروه قطبی، طول و درجه غیراشباع بودن زنجیره اسید چرب، HLB، غلظت، دما، ترکیب فاز روغنی، نسبت فازها و شرایط فرآیند وابسته است.
دو گروه از ترکیبات آمفیفیلیک که در فرمولاسیونهای شوینده، مراقبت شخصی و برخی سامانههای امولسیونی مورد توجه قرار گرفتهاند، مونوآلکانولآمیدهای اسیدهای چرب و مشتقات گلیسریدی، بهویژه مونوگلیسریدها و دیگلیسریدها هستند. هر دو گروه دارای بخشهای آبدوست و آبگریز هستند، اما تفاوت در ساختار شیمیایی و ویژگیهای بینسطحی آنها باعث میشود الزاماً عملکرد یکسانی در فرمولاسیون نداشته باشند.
بنابراین، سؤال اصلی این نیست که کدام خانواده «بهتر» است؛ بلکه باید مشخص کرد هر ماده، با توجه به ساختار شیمیایی، در چه سیستم و با چه هدف عملکردی مورد استفاده قرار میگیرد.
تفاوت ساختاری دو خانواده مونوآلکانولآمیدها و مشتقات گلیسریدی
مونوآلکانولآمیدهایی مانند Cocamide MEA حاصل واکنش اسیدهای چرب با آلکانولآمینها مانند مونواتانولآمین (MEA) هستند دارای یک بخش هیدروکربنی آبگریز و یک بخش قطبی شامل گروه آمیدی و گروه هیدروکسیل هستند. در Cocamide MEA ، بخش هیدروکربنی از اسیدهای چرب مشتق از روغن نارگیل منشأ میگیرد. در آنها بهترتیب یک یا دو گروه هیدروکسیل گلیسرول با اسیدهای چرب واکنش داده و پیوند استری ایجاد کردهاند.
امولسیفایر، کو-امولسیفایر یا سورفکتانت؟
یکی از مهمترین نکات در مقایسه این مواد، تفکیک سه مفهوم است:
- Emulsifier:امولسیفایر یا امولسیون کننده مادهای که با حضور در فصل مشترک آب و روغن به تشکیل و پایداری امولسیون کمک میکند.
- Co-emulsifier: مادهای که در کنار امولسیفایر اصلی به تشکیل بهبود پایداری امولسیون کمک میکند و بسته به ماهیت خود میتواند بر ساختار و رئولوژی سیستم نیز اثر بگذارد.
- Functional surfactant: سورفکتانتی که ممکن است هدف اصلی آن شویندگی، کف یا تنظیم ویسکوزیته باشد، اما در شرایط مشخص قابلیت مشارکت در امولسیونسازی نیز دارد.
این تفکیک بهویژه برای صنعت شوینده مهم است، زیرا یک ماده ممکن است در یک فرمولاسیون سورفکتانت کمکی و در فرمولاسیونی دیگر بخشی از یک سیستم امولسیفایری باشد.
مطالعه بیشتر: نقش مونو و دیگلیسریدها در بهبود خواص فرآیندی خمیرهای غذایی صنعتی
مونوآلکانولآمیدها در فرمولاسیون شوینده
مونوآلکانولآمیدهای اسیدهای چرب را نباید صرفاً بهعنوان امولسیفایر در نظر گرفت. این ترکیبات، بسته به نوع ساختار و شرایط فرمولاسیون، میتوانند در سیستمهای شوینده و برخی محصولات مراقبت شخصی بهعنوان سورفکتانت کمکی یا تقویتکننده کف و ویسکوزیته مورد استفاده قرار گیرند و در شرایط مشخص، در تشکیل یا پایداری امولسیون نیز مشارکت داشته باشند.
از مهمترین عملکردهای آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کمک به تقویت کف
- افزایش یا تنظیم ویسکوزیته حتی در غلظت های کم الکترولیت
- بهبود برخی ویژگیهای سطحی؛
- و مشارکت در امولسیونسازی در برخی سیستمها.
BASF نیز Cocamide MEA را عمدتاً بهعنوان co-surfactant، افزایش دهنده ویسکوزیته و پایدار کننده کف در فرمولاسیونهای مراقبت شخصی و پاک کننده معرفی میکند.
کوکونات فتی اسید منو دی اتانول آمید یا IRAMID CM
IRAMID CM با نام شیمیایی Coconut Fatty Acid Monoethanolamide در این خانواده قرار میگیرد. از نظر طبقهبندی، مناسبتر است آن را یک سورفکتانت غیریونی با عملکرد چندگانه و قابلیت مشارکت در امولسیونسازی در نظر گرفت، نه اینکه بدون قید و شرط یک سورفکتانت اصلی نامیده شود.
این تمایز در فرمولاسیونهای شوینده اهمیت دارد؛ زیرا ممکن است وظیفه اصلی ماده در یک سیستم، تقویت کف و تنظیم ویسکوزیته باشد و عملکرد امولسیفایری آن در کنار سایر سورفکتانتها ظاهر شود.
مشتقات گلیسریدی؛ فراتر از یک امولسیفایر ساده
مونوگلیسریدها به دلیل داشتن یک زنجیره اسید چرب و بخش گلیسرولی، میتوانند در فصل مشترک آب و روغن قرار گیرند و در شرایط مناسب در سازماندهی ساختار بینسطحی، افزایش ویسکوزیته و پایداری امولسیون نقش داشته باشند.
این ویژگی باعث میشود برخی گریدهای گلیسریدی علاوه بر عملکرد بینسطحی، نقش مهمی در ایجاد ساختار فیزیکی سیستم داشته باشند. مطالعات روی امولسیونهای ساختاریافته با GMS نیز تأثیر آن بر ساختار و پایداری امولسیون را نشان دادهاند.
گلیسیریل منواستئارات یا IRAPON GMS
IRAPON GMS با نام Glycerol Monostearate (GMS) در خانواده مشتقات گلیسریدی قرار میگیرد.
برای گلیسرول مونو استئارات ، استفاده از عنوان «امولسیفایر» بهتنهایی تصویر کاملی ارائه نمیدهد. در منابع فنی BASF، برخی گریدهای GMS بهعنوان عامل قوام دهنده، کوامولسیفایر و عامل ساختاردهنده معرفی شدهاند و بهعنوان سورفکتانت با HLB پایین نیز شناخته میشوند.
بنابراین جایگاه دقیق IRAPON GMS را میتوان اینگونه بیان کرد:
مشتق گلیسریدی با عملکرد افزایش دهنده ویسکوزیته، امولسیون کننده، مرطوب کننده و بهبود دهنده بافت محصول می باشد.
پژوهشها نیز نشان دادهاند که GMS میتواند در کنار سایر امولسیفایرها رفتار همافزا داشته باشد و بر اندازه قطرات و ویژگیهای رئولوژیکی امولسیون اثر بگذارد.
بیشتر بخوانید: سورفکتانتهای اولئوکمیکال؛ آینده شویندههای صنعتی پایدار
HLB و نقش فرآیند
HLB یکی از ابزارهای مهم برای انتخاب مواد فعال سطحی است، اما نباید آن را تنها معیار تصمیمگیری دانست. عملکرد نهایی امولسیون به عواملی مانند نوع و ماهیت فاز روغنی، HLB موردنیاز فاز روغنی (required HLB)، نسبت فازها، غلظت و ترکیب امولسیفایرها، نوع کوامولسیفایر، دما، شدت و زمان اعمال shear، ترتیب افزودن اجزا و شرایط یونی فاز آبی نیز وابسته است.
این موضوع برای گلیسرول مونو استئارات اهمیت بیشتری دارد، زیرا گریدهای متداول آن در دمای محیط جامد هستند و دمای ذوب و نحوه سردشدن میتواند بر ساختار نهایی سیستم اثر بگذارد. برای نمونه، BASF برای گرید Kolliwax® GMS II رفتار حرارتی در محدوده حدود 55 تا 64 سانتی گراد را در آزمون DSC گزارش کرده است.
آیا این دو خانواده قابل جایگزینی مستقیم هستند؟
در اغلب موارد، جایگزینی مستقیم یک مونوآلکانولآمید با GMS بر اساس نسبت وزنی، رویکرد مناسبی نیست
برای مثال، اگر یک مونوآلکانولآمید مانند IRAMID CM در یک فرمولاسیون بهعنوان کو سورفکتانت یا تقویتکننده کف به کار رفته باشد، جایگزینی آن با GMS ــ که بسته به سیستم میتواند نقش امولسیفایر، افزایش دهنده ویسکوزیته و پایداری و ساختاردهنده داشته باشد ــ ممکن است تعادل بین عملکرد سطحی، ساختار فیزیکی و رفتار رئولوژیک فرمولاسیون را تغییر دهد.
مقاله مرتبط: سورفکتانتهای غیریونی بر پایه الکلهای چرب؛ بررسی ساختار، عملکرد و بازار جهانی
چگونه عملکرد این مواد را مقایسه کنیم؟
برای انتخاب ماده مناسب، ابتدا باید هدف فرمولاسیون مشخص شود: شویندگی، کف، کنترل ویسکوزیته و رفتار رئولوژیکی، امولسیونکنندگی، ساختاردهی یا ترکیبی از این عملکردها.
سپس میتوان عملکرد مواد را، متناسب با نوع فرمولاسیون، با آزمونهایی مانند موارد زیر ارزیابی کرد:
- اندازه و توزیع اندازه قطرات، در سیستمهای امولسیونی؛
- ویسکوزیته و رفتار رئولوژیکی؛
- کشش بینسطحی (Interfacial Tension)؛
- پایداری کف (Foam Stability)، در صورت کاربرد در سیستمهای شوینده یا کفزا؛
- پایداری در برابر تغییرات دما و چرخههای Freeze–Thaw (انجماد–ذوب)؛
- آزمون پایداری تسریعشده (Accelerated Aging)؛
- آزمون سانتریفیوژ (Centrifugation) برای ارزیابی تمایل به جدایش فازی؛
- بررسی جدایش فازی (Phase Separation)؛
- ارزیابی اثر الکترولیتها و تغییرات pH بر عملکرد و پایداری فرمولاسیون.
مطالعات انجامشده روی مونو و دیگلیسریدها نشان دادهاند که ترکیب گرید MDG میتواند بر اندازه قطرات، توزیع اندازه، رفتار رئولوژیکی و پایداری امولسیون اثر بگذارد. بنابراین، حتی در میان گریدهای مختلف یک خانواده از مونو و دیگلیسریدها نیز، به دلیل تفاوت در ترکیب اسیدهای چرب، نسبت مونوگلیسرید به دیگلیسرید و سایر اجزای گرید، عملکرد فرمولاسیونی لزوماً یکسان نیست.
جمعبندی
مونوآلکانولآمیدها و مشتقات گلیسریدی هر دو میتوانند در طراحی فرمولاسیونهای شوینده و امولسیونی نقش داشته باشند، اما از نظر عملکردی معادل یکدیگر نیستند.
IRAMID CM در درجه نخست یک سورفکتانت غیریونی چندمنظوره است که میتواند در تقویت کف، تنظیم ویسکوزیته و در شرایط مناسب در امولسیونسازی مشارکت کند.
IRAPON GMS یک مشتق گلیسریدی است که در بسیاری از سیستمها نقش افزایش دهنده ویسکوزیته، امولسیفایر، مرطوب کننده، خیس کننده، حل کننده، نرم کننده، ضدالکتریسته ساکن و نگهدارنده دارد و قابلیت امولسیفایری آن به گرید و معماری فرمولاسیون وابسته است.
بنابراین انتخاب بین این مواد نباید بر اساس عنوان عمومی «امولسیفایر» انجام شود. معیار اصلی، نقش مورد انتظار ماده در معماری کل سیستم، مشخصات فازها، سایر سورفکتانتها و شرایط فرآیند است.
