界面活性剤の構造と分散性の関係

水性分散系は最も一般的に使用されており、界面活性剤の構造と分散性の関係を分析するためによく用いられます。疎水性の固体粒子であるこれらの粒子は、界面活性剤の疎水性基を吸着することができます。アニオン性界面活性剤の場合、外向きの親水性基は電荷が同じであるため互いに反発し合います。界面活性剤の吸着効率は疎水性鎖の長さとともに増加することが明らかであり、したがって、炭素鎖が長い界面活性剤は、鎖が短い界面活性剤よりも優れた分散性を示します。

界面活性剤の親水性を高めると、水中での溶解度が高まり、粒子表面への吸着が減少する傾向があります。この効果は、界面活性剤と粒子間の相互作用力が弱い場合に顕著になります。例えば、水性染料分散系の調製において、高度にスルホン化されたリグノスルホン酸系分散剤は、強い疎水性染料に対して使用することで、優れた熱安定性を持つ分散系を形成できます。しかし、同じ分散剤を親水性染料に適用すると、熱安定性が低下します。一方、スルホン化度の低いリグノスルホン酸系分散剤を使用すると、良好な熱安定性を持つ分散系が得られます。これは、高度にスルホン化された分散剤は高温で溶解度が高く、親水性染料の表面から容易に剥離するためです。親水性染料では、もともと相互作用が弱いため、分散性が低下します。

分散粒子自体が電荷を帯びており、反対の電荷を持つ界面活性剤を選択した場合、粒子の電荷が中和される前に凝集が起こる可能性があります。電荷が中和された粒子に界面活性剤の第二層が吸着されて初めて、安定した分散が実現します。同じ電荷を持つ界面活性剤を選択した場合、界面活性剤の粒子への吸着は困難になります。同様に、分散を安定化させるのに十分な吸着は、高濃度でのみ達成されます。実際には、使用されるイオン性分散剤は通常、複数のイオン基が分散した構造をしています。界面活性剤分子全体にわたって疎水性基が存在する一方、疎水性基は芳香環やエーテル結合などの極性基を持つ不飽和炭化水素鎖から構成されている。

ポリオキシエチレン系非イオン界面活性剤の場合、高度に水和したポリオキシエチレン鎖が水相中にカールしたコンフォメーションで伸び、固体粒子の凝集に対する効果的な立体障壁を形成します。同時に、厚く多層構造の水和オキシエチレン鎖は粒子間のファンデルワールス力を大幅に低減するため、優れた分散剤となります。プロピレンオキシドとエチレンオキシドのブロック共重合体は、特に分散剤として適しています。その長いポリオキシエチレン鎖は水中での溶解性を高め、一方、伸長したポリプロピレンオキシドの疎水性基は固体粒子への吸着を促進します。したがって、両成分の長い鎖を持つ共重合体は、分散剤として非常に理想的です。

イオン性界面活性剤と非イオン性界面活性剤を混合すると、混合系では分子が水相中に広がり、粒子凝集を防ぐ立体障壁を形成するだけでなく、固体粒子上の界面膜の強度も向上します。したがって、混合系においては、界面活性剤の水相への溶解度の増加が粒子表面への吸着を著しく阻害しない限り、疎水性鎖が長い分散剤の方が優れた分散性能を発揮します。