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界面活性剤の作用

界面活性剤は、親水基と疎水基を持つ特異な物質です。金属・繊維・製紙・建築業などにおける洗浄剤・乳化剤としての産業用途から、一般的な石鹸、食用の乳化剤、化粧品、医薬品などの身近な用途まで、さまざまな分野で活用されています。以下より界面活性剤の作用を見ていきましょう。

界面張力と表面張力の低下

界面張力と表面張力の低下は、界面活性剤の代表的な作用のひとつです。水と空気の境目、水と固体(水を入れる容器など)、水と液体(油など)の境目のことを界面といいます。界面活性剤は界面に吸着する性質がありますが、このような状態にある水に界面活性剤を加えると特異な反応を示すことはご存じでしょうか。

なんと界面活性剤の親水基(水分子と水素結合する原子のかたまり)が水側となじみ、疎水基(親水性のない原子のかたまり)側が他方に向いた形で整列するのです。この理由は、界面に界面活性剤が吸着すると、界面の性質が変化し、水の表面張力が低下することがひとつ。水は自身の面積をできるだけ小さく止めようとする力(表面張力)を持っているので、界面活性剤の作用によってこの力が弱められて起こるわけです。

浸透

ウールなどの繊維を水につけても、水が染み込まず水面から浮き上がってしまうことがあります。これは、水と繊維との間に水の界面張力が働くためです。このような場合に界面活性剤を用いると繊維の表面に界面活性剤が吸着して、すみやかに繊維に水を浸透させることができます。これが界面活性剤の浸透の作用です。この作用を利用すれば、繊維素材などが水となじみやすくなり、洗浄に適した状態になります。

乳化

本来、水分と油分は分離して容易に混ざることはありません。しかし、界面活性剤を加えて撹拌すると、界面活性剤の親油基が油の粒子を取り囲み、油は非常に小さな粒子の状態へ。このとき、界面活性剤の親水基は水の側を向いているため、油と水の橋渡しの役目を果たし、両者はよくなじんで均一に混ざり合います。この作用こそが乳化です。乳化の作用は、工業用の添加物、食品や化粧品などの添加物など幅広い分野で活用されています。

分散

分散は、乳化とよく似た作用です。水の中にススなどの粉体を投じても、混ざり合うことなく水面に浮かび上がったままになることがあります。このような水になじまない物質と水を均一に混ぜ合わせたい場合には、界面活性剤の使用が有効です。界面活性剤を加えて撹拌すると乳化の場合と同様に、粉体が界面活性剤に取り囲まれて、小さな粒子として分散します。

洗浄

界面活性剤の界面吸着作用、浸透作用、乳化作用、分散作用など、さまざまな作用が複合的に働くのが洗浄の作用です。油分などの汚れが付着した洗浄物を、界面活性剤を含む洗浄液中で洗浄すると、まず浸透の作用によって洗浄剤が洗浄物や汚れの表面になじみます。このとき、撹拌などの操作が加わって起こるのが、汚れが効果的に洗浄物の表面から浮き上がる変化です。そこで、さらに界面活性剤の乳化作用、つまりは分散作用が働き、一度洗浄物から引き離された汚れが洗浄液中に安定的に拡散するため、汚れの再付着が防止されます。

ミセル形成

ミセルとは、界面活性剤の濃度が一定以上に高くなったときに現れる、界面活性剤の集合体のことです。この集合体を形成する現象をミセル形成といいます。界面活性剤は、濃度が高いほど洗浄や乳化などの各作用が起こりやすいです。しかしながら、水中の界面活性剤の濃度をどんどん高めていき、ある一定の濃度を迎えると、水の界面全体が界面活性剤で覆い尽くされてしまいます。

それ以上の界面活性剤が界面に吸着することができない状態、そしてこの濃度のことを臨界ミセル濃度といいます。臨界ミセル濃度からさらに界面活性剤濃度を高めると、どこにも吸着できずにあぶれしまうのが界面活性剤の疎水基。水から逃げるために界面活性剤同士で集まって親水基を外側、疎水基を内側にした球状・棒状・層状のミセルを形成します。ミセルの中心部分は疎水性となっているため、水に溶けにくい物質を内部に取り込んで水の内部に拡散させることが可能です(可溶化)。

ミセル形成

界面活性剤は、極めて幅広い用途で活用される重要な物質です。その特異な性質を知っておけば、産業用洗浄剤などから食品などに至るまで、幅広い分野において界面活性剤がどのような役割を果たしているのかを理解できる助けとなるでしょう。


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