化学工業は、石油、天然ガス、空気、水、金属、鉱物などの原材料を何千もの異なる製品に変換することを含む業界である。

化学工業は先進国最大の製造業の一つである。化学工業は主にポリマー、石化製品、基本無機化学品などの化学品を上流原材料製品として生産し、他社に供給して使用している。

ナノスケールの表面相互作用と反応解析

化学物質とその混合物は私たちの生活のあらゆる面を占めており、どこにもいない。場合によっては、特定の環境および特定の表面に遭遇したときのそれらの挙動は、化学的挙動が予期から逸脱することに影響する可能性があるため、関連して関心を持つことができる。例えば、私たちの日常生活でよく見られる化学物質界面活性剤やポリマーを例に、界面活性剤は洗剤やその他の洗浄剤、原油採掘や薬物合成などに広く使われています。界面活性剤とエマルジョンの安定性を理解することは、製品の品質を確保するために特に重要である。

ポリマーの用途は、接着剤、塗料、発泡体、食品、化粧品、衣類など、他の材料よりも多い。

これらの分野はすべて何らかの方法で界面科学に関連している。これは、界面挙動と特性の理解がエンドユーザーの分子設計と制御にとって非常に重要であることを意味する。

あなたの表面-分子相互作用を十分に理解する

QSense QCM-Dは表界面相互作用分析のリアルタイム評価のための機器であり、表界面分子間の相互作用を全面的に理解し、固液界面における現象と相互作用、例えば吸着動力学、吸着層厚さ、形態変化、分子-表面相互作用の安定性を特徴づけるのに役立つ。

[表面洗浄｜界面活性剤】

界面活性剤を特性化していますか。

洗浄製品の重要な成分の1つとして、界面活性剤は洗浄処方の性能を高める上で注目されている。最終配合物の性能を特性化、評価、強化し、最適な状態に到達させるために使用できるいくつかの性能面は、表面再堆積を防止するために洗浄される表面の濡れ、乳化汚れ、汚れを溶液中に分散させるなどの重要な特性の向上を支援する。界面における表面活性物質を有する動力学は特徴づけと評価にとって極めて重要である。必要な性能と特定の条件に基づいて設計、調整、最適化を行う場合、単一界面活性剤、界面活性剤の組み合わせ、またはより複雑な洗剤処方がリアルタイムとナノスケールでどのように作用するかを十分に理解することは非常に重要である。界面活性剤と特定の汚れとの相互作用、および濃度、水質、温度などの重要なパラメータ関数としての除去効率は、製品の活性、効率、コスト効果の向上に関係している。

湿潤性を用いた界面活性剤の効率評価

洗剤の効率は、滑らかで硬いガラス表面であれ、柔軟で多孔質な織物であれ、洗浄すべき表面を濡らす能力に関係している。表面を湿らせるためには、液体を広げる必要があります。洗剤溶液を固体基材上に広げるには、洗剤溶液の表面張力及び溶液と固体表面との接触角に依存する。洗剤溶液の表面張力は界面活性剤添加の影響を受け、光学的または力学的表面張力計を用いて測定することができる。界面活性剤の使用量は、臨界ミセル濃度（CMC）を測定することにより最適化することができる。

洗剤溶液を広げると、必ず汚れの乳化が起こり、界面活性剤がその過程で主な役割を果たす。界面活性剤はまた、収集された汚れを溶液中に分散させ、表面に再堆積が起こらないようにするのに役立つ。

洗剤溶液中の界面活性剤の使用量を最適化する

洗浄溶液のための界面活性剤の使用量を最適化することは、界面活性剤の過剰使用は経済的であり、環境にも影響するため重要である。臨界ミセル濃度（CMC）は界面活性剤濃度の最適化によく用いられる重要なパラメータである。洗浄力は単分子界面活性剤の影響を受け、実際にミセルの存在の影響を受けないため、CMC点は所望の界面活性剤使用量の指標とすることができる。Sigma 700/701は自動分配器と結合して全自動CMC測定を完了することができる。測定は自動的に実行されるため、手動でやり取りする必要がなく、所要労働時間を削減することができます。

J. Chemの許可で改編。教育。 83 (2006) 1147.著作権 ©2014 アメリカ化学学会

界面活性剤界面動力学の探索

QSenseを採用する® QCM-D技術は、必要に応じて、界面活性剤の挙動と性能を探索、特徴付け、最適化するいくつかの方法がある。単一界面活性剤、界面活性剤の組み合わせ、または完全な配合を特徴づけることができる。 QSense® QCM−D技術は、特定の界面活性剤、多界面活性剤溶液または完全処方が特定の材料または汚れとどのように相互作用するかを記述し、除去効率を評価するために使用できる洗浄プロファイルを提供するほか、温度や界面活性剤濃度などの重要なパラメータに伴う表面−汚れ相互作用動力学の変化を高精度に探索することができる。一般に、界面活性剤／界面動力学および挙動を監視および特性化し、吸着動力学および吸着界面活性剤層などの形態変化を抽出することもできる。

［界面活性剤とエマルジョン｜界面活性剤］

ほとんどの工業製品は界面活性剤、洗浄剤からペンキ、化粧品から食品まで使用されています。界面活性剤は、それらが使用されるシステムに応じて、洗浄剤、湿潤剤、乳化剤、発泡剤、分散剤として使用することができる。天然に存在する界面活性剤は、不必要な製品特性をもたらすこともある。界面活性剤の特性化は、製品とプロセスの最適な性能を確保するために重要である。

界面活性剤は通常、両親媒性有機化合物であり、これはそれらが親水性（水溶性）と疎水性（水不溶性）部分を同時に含むことを意味する。これらの両親媒性のため、界面活性剤は界面に吸着し、それによって二相間の表面と界面張力を低下させる。

多くの産業プロセスにおいて、界面活性剤を添加して製品の性能を改善することができる。例えば、界面活性剤は、製品を洗浄する効率を高めるために洗浄剤として使用され、食品製品中のペンキまたは乳化剤中の湿潤剤として使用されてもよい。界面活性剤の別の態様は、界面活性剤としての天然化合物である。これらには重質原油で発見されたアスファルト質が含まれており、原油生産において様々な問題を引き起こす可能性がある。

ガス−液又は液−液界面における界面活性剤の吸着

界面活性剤の効率は、表面または界面張力を低下させ、エマルジョンを安定させる能力を測定し、その親水性−親油平衡（HLB）を研究することによって測定した。

表面張力と界面張力と濃度の関係関数を測定することにより、所与の界面活性剤または界面活性剤混合物によって生成できる表面張力または界面張力低下の最大値を決定することができる。使用する界面活性剤の量が製品のコストに直接影響するため、経済的な観点からも重要である。界面活性剤濃度や界面活性剤の毒性についても、環境要因を考慮する必要がある。臨界ミセル濃度測定は通常、製剤中の界面活性剤の最適量を決定するために用いられる。

[表面張力と界面張力をダウンロード-それは何であり、どのように測定しますか？]

界面活性剤は固体表面に吸着する

固体表面への界面活性剤の吸着を理解することは、例えば、塗料製造、水ろ過、原油製造などの過程で非常に重要である。塗料を例にとると、顔料粒子、ポリマー、界面活性剤などの異なる成分を含む複雑な水系混合物である。顔料粒子は塗料に必要な色を与え、ポリマーは粘度と界面活性剤を増加させ、塗料の安定性と濡れ性を増加させる。顔料表面に界面活性剤ではなくポリマーを優先的に吸着すると、問題が発生する。これにより、乾燥フィルムの色外観及び接着性が低下する。

原油生産におけるアスファルト質の吸着による問題

最近発見された埋蔵量の多くにアスファルト質（オイルサンド、重油）が含まれているため、アスファルト質による興味はますます高まっている。アスファルト質は原油の高分子量成分であり、その正確な分子構造は未知であり、通常はノルマルペンタンやノルマルヘプタンなどのアルカンに不溶であるが、トルエンに可溶であると分類される。アスファルト質は界面に吸着する傾向があり、それによって油水エマルジョンの安定性（エマルジョン安定性に関連する）が増加し、油貯蔵の湿潤挙動が変化する。原油加工中のアスファルト質の吸着は、配管汚染などの問題にもなる。

アスファルト質堆積のメカニズムを理解するためには、アスファルト質−固体相互作用の基本的な理解が必要である。QSense QCM−Dは、異なる溶媒条件下での様々な表面上のアスファルト質の吸着と汚染を特徴づけるために使用することができる。

アスファルト質の沈殿と沈積は、貯留層岩石の濡れ性変化と透過率の低下を招き、採油率の低下を招く。接触角測定により、油、流体、岩石間の濡れ性と界面張力測定を研究することができる。接触角測定は、高圧及び高温での石油貯蔵条件のシミュレーションによっても行うことができる。

固液界面界面活性剤の吸着動力学特性評価

私たちが見ているように、固液界面での界面活性剤とその挙動は多くの分野の核心であり、生物学的応用から汚れ除去と洗浄から石油採集率の向上に至る。QSense QCM−D技術は界面上の動力学と挙動に基づいて界面活性剤、界面活性剤系及び界面活性剤混合物を特徴づけることができる。このような表面敏感技術を利用して、界面活性剤の異なる表面への吸着と脱着動力学を研究し、吸着動力学をリアルタイムで監視することができる。表面は容易に変化することができ、これにより、表面材料、表面官能性、親水性または疎水性の影響を計画することが可能になる。吸着界面活性剤の層厚を決定し、各種界面活性剤濃度、pH値、塩濃度及び温度に基づいて吸着膜の形態変化を追跡することもできる。この技術はまた、界面活性剤と、例えば脂質小胞またはポリマーと高分子電解質層との間の相互作用を探索し、特性化することができる。

［界面活性剤とエマルジョン｜エマルジョン安定性］

エマルジョンは2種以上の液体の混合物であり、通常は互いに相溶しない。熱力学の観点から、エマルジョンは不安定な系であり、液体−液体系はその界面エネルギーを分離し、低下させる自然な傾向があるためである。

エマルジョンの安定性は、物理化学的性質が経時的に変化することに抵抗する系の能力と定義することができる。エマルジョンの安定性は、塗料、食品、農業配合物、パーソナルケア、石油を含む多くの産業用途において非常に重要である。乳化、凝集、凝集などのいくつかのメカニズムは破乳を引き起こす。

エマルジョン安定性はほとんどの工業製品やプロセスに必要であるが、エマルジョンの安定性を必要としない加工プロセスもある。例えば、原油回収には輸送前に原油を水から分離する必要があり、廃水処理にも油水エマルジョンは必要ありません。

界面レオロジー試験による乳状液の安定性予測

界面レオロジーは特殊なレオロジー分岐であり、界面に形成される特別な二次元系を研究することに関連している。レオロジーは流体流動を研究するものであるように、界面レオロジーは流体界面流動特性を研究するものである。

食品と飲料における界面レオロジー

タンパク質は食品中の界面活性剤としてもよいが、他の安定剤を添加して安定性を高めることもできる。レシチンは数少ない天然界面活性剤の一つである。環境と健康問題が注目されるにつれて、天然界面活性剤はますます人々の興味を引き起こしている。

応用ダイジェストダウンロード：気液と油水の界面における蛋白質の吸着と界面ゲル化

応用ダイジェストダウンロード：気液界面上の単分子層の界面レオロジー

Webワークショップの視聴：インタフェースレオロジー：基礎から応用へ

工業級非イオン乳化剤の表面特性評価

ポリオキシエチレン界面活性剤は、塗料、食品、農業配合物、パーソナルケア、石油などの工業用途に広く使用されており、乳液と泡の安定性が重要である。アルコールエトキシレートは、従来、多くの用途で乳化剤として使用されてきたより有毒なアルキルフェノールエトキシレートを置換している。しかし、直鎖アルコールエトキシレートはアルキルフェノールエトキシレートと同様に良好な乳化剤性能を示しておらず、これは主に後者がより巨大な尾を持っているためである。これは極性ヘッドと炭化水素テールの大きさが異なり、界面に密接に堆積した薄膜の形成を阻害しているためである。

EO基の数が異なる2種類のC 10−Guerbetアルコール工業級非イオン界面活性剤の吸着と表面レオロジー特性を研究した。、それらはC 10 EO 6とC 10 EO 14です。

2種類の界面活性剤の界面圧力等温線は再配向モデルに適合している。しかし、表面レオロジーデータには異なる解釈がある。これは、C 10 EO 6が拡散緩和プロセスのモデルフレームワークで説明できることを示し、C 10 EO 14は拡散緩和プロセスから外れ、その表面レオロジー反応は非イオン性ポリマー界面活性剤に近いことを示している。図1（C 10 EO 6）と図2（C 10 EO 14）は、2つの周波数（0.02 Hzと0.5 Hz）で2種類の界面活性剤が振動摂動して得られる貯蔵弾性率（E′）と損失弾性率（E″）を示している。実線と破線は拡散モデルから得られる適切な実験データである。その結果、C 10 EO 6界面活性剤の実験データのみが提案モデルと良好な一致を示した。

図1.C 10 EO 6界面活性剤は、2つの周波数（0.02 Hz−三角形）及び（0.5 Hz−菱形）における弾性率（E'、中空記号）及び損失弾性率（E'、中実記号）と界面活性剤本体濃度の関係関数を貯蔵する。実線と破線は拡散モデルの実験データの最適フィット曲線である。

図2.2つの周波数（0.02 Hz−三角形）及び（0.5 Hz−菱形）におけるC 10 EO 14界面活性剤の貯蔵弾性率（E'、中空記号）及び損失弾性率（E'、中実記号）と界面活性剤本体濃度の関係関数。実線と破線は拡散モデルの実験データの最適フィット曲線である。

2つの界面活性剤の表面レオロジー特性は、空気／水界面に粘弾性層が形成されていることを示しているが、吸着膜はオキシエチレン基の数が異なるため、異なる挙動を示している。より小さな界面活性剤については、吸着およびレオロジーデータは拡散モデルに符合し、一方、より大きなC 10 EO 14界面活性剤はポリマー界面活性剤に近い表面挙動を示した。また、両界面活性剤の膨張弾性と粘度の比較は、EO基の数を増加させることにより弾性を増加させることができることを示している。吸着した界面活性剤膜の弾性は、発泡体及びエマルジョン安定性に直接関係する。したがって、C 10 EO 14界面活性剤は、短いC 10 EO 6界面活性剤と比較して、より安定した凝集防止層を形成する可能性がある。それでも、前者は界面活性剤の拡散性が高いため、C 10 EO 6を使用する方がC 10 EO 14フォームよりも形成能力が強い。したがって、これらの結果は、オキシエチレン基を含有する非イオン界面活性剤を使用することにより、安定した発泡体及びエマルジョンを合理的に開発するための興味深い応用を見出すことができる。

文献依据:P. Ramírez, L.M. Pérez-Mosqueda, L.A. Trujillo-Cayado, M. Ruiz, J. Munoz, R.Miller, Equilibrium and surface rheology of two polyoxyethylene surfactants (CiEOj) differing in the number of oxyethylene groups, Colloids Surf., A 375(2011) 130–135.

アスファルト安定油-水エマルジョン

油が回収されると、複雑な油−水エマルジョンが形成される。油−水界面に吸着したアスファルト質は、これらのエマルジョンの安定性を高める傾向がある。通常、安定した油−水エマルジョンは必要ありません。これにより、ポンプ及び輸送費が増加し、配管、ポンプ及び蒸留塔が腐食するためです。

アスファルト質の界面活性は、簡単な界面張力測定により光学張力計で評価することができる。高圧キャビティをシステムに組み込むことにより、高圧および高温での測定を実現することができる。

もう一つの広範な応用方法は油水界面の界面レオロジーを研究することである。界面の弾性は油水エマルジョンの安定性と関係がある。吸着アスファルト質層の界面レオロジー性は振動液滴法で研究することができる。もう1つの方法は、浮動針レオロジー計に基づく界面せん断レオロジー（ISR）を用いてアスファルト質の堆積密度の関係関数を特性化することである。

ブルースター角度顕微鏡は、空気−水界面でアスファルト質を可視化する形態学的研究を行うことができる。

応用ダイジェストダウンロード：空気−水と油−水の界面における蛋白質の界面ゲル化吸着

下応用ダイジェストダウンロード：フィルム構造のイメージング：ブルースター角顕微鏡

Webワークショップの視聴：インタフェースレオロジー：基礎から応用へ

［界面活性剤とエマルジョン｜破乳］

エマルジョン安定性が多くの工業プロセスや製品において重要であるのと同様に、破乳は他の環境においても重要である。

反乳化作用や破乳は、原油生産や廃水処理において特に重要である。原油生産では、通常、油中水エマルジョンが製造される。これらのエマルジョンは、多くの原油中に天然に存在するアスファルト質および樹脂のために非常に安定している可能性がある。原油と水の効果的な分離は原油品質の面で極めて重要であると同時に、低コストで高品質の水相を分離することを確保しなければならない。

破乳剤は油中水エマルジョンを不安定にするために用いられる

プロセスの観点から見ると、破乳には2つの側面がある：発生速度と原油中の余剰水量を分離する。生産される石油は通常、会社とパイプラインの規格に合致しなければならない。一般に、湿潤な原油処理装置から船積みされた油は、原油1千バレル当たり0.2%未満のBS＆W（基本的な沈殿物と水）または4.5 kgの塩を含むことがある。このかなり低い濃度要件は、腐食と塩の堆積を減らすためである。

エマルションが油と水に分離する過程は、水滴周囲のエマルション膜の不安定性を伴う。化学的破乳剤の添加、エマルジョンの温度の上昇、電場の印加によるエマルジョンの凝集促進、物理的特性の変化など、エマルジョンの安定性を破壊するために使用できるいくつかの方法がある。化学破乳剤の添加は現在よく使われている方法である。

破乳剤は、油水界面の移動及び乳化剤の影響を中和するための界面活性を有する試薬である。破乳の過程では、適切な破乳剤の選択が重要である。原油には様々な成分の種類が多いため、原油の種類に応じて破乳剤を選ぶことが重要である。界面レオロジーパラメータ、特に界面膨張弾性は、エマルジョン安定性と関係がある。破乳剤添加時の油水界面の界面レオロジーを測定することにより破乳剤の有効性を得ることができる。

［界面活性剤とエマルジョン｜フォーム］

発泡体は多くの工業製品やプロセスの中で非常に重要である。ボディケアや食品には通常泡が必要であるが、印刷、ポンプ、潤滑などのいくつかの産業プロセスでは泡は不要であり、消泡剤を使用する必要がある。浮選や石油採集率の向上など多くのプロセスが泡を利用している。

泡は空気−水エマルジョンと考えることができる。油水エマルジョンにおけるように、気体−水界面間の表面張力を低下させて発泡体を形成するために界面活性剤分子が必要である。

石油の採掘率を高める泡

二酸化炭素、メタン、窒素などのガス注入は、原油の採集率を高めるのに一般的である。しかし、ガスは水や油に比べて粘度や密度が低いため、気体通路が高透過率領域や気体を介して多孔質媒体の上部に移動するなどの問題が発生する。そのため、空気圧駆動の容積走査効率が悪いことが多い。気体駆動の効率を高めるためには、泡注入を使用することをお勧めします。

発泡体は、排気量及びパージ効率を高めるためにガス流動性を低下させる方法を提供する。泡に基づくEOR法の主な問題は泡の安定性である。有効な回収剤となるためには、多孔質構造においてフォームを安定化させる必要がある。界面活性剤は泡の安定性において重要な地位にある。例えば、安定した水中二酸化炭素発泡プラスチック（最も研究されている発泡体系の1つ）を製造するためには、貯蔵条件下で二酸化炭素−水界面を安定させる界面活性剤を開発することが重要である。

［表面処理とコーティング｜塗料］

コーティング及びワニスは、装飾性又は保護性コーティングを提供するために表面に適用される。基本的な要件として、表面に均一で欠陥のないコーティングを形成する必要があります。表面と界面張力はコーティング品質に重要な役割を果たす。

塗料は4つの部分からなる、接着剤、溶剤、顔料、添加剤。ワニスの組成は同じですが、顔料が不足しています。

湿潤剤などの添加剤は、液体の表面張力を低下させ、基材をよりよく湿潤させるために使用することができる。接触角測定によって得られる表面張力は、最適な湿潤剤を決定するために使用することができ、配合物中の湿潤剤の量を最適化するために使用することができる。

コーティング評価試験の多くはコーティングの視覚的外観に基づいているので、定性的である。表面張力および接触角測定は、コーティングの性能を評価するために使用できる定量的な評価を提供する。この定量的評価は、いくつかのコーティング処方がコーティングの外観が類似している場合に特に有用である。

コーティング挙動を表面張力と時間の関係から予測する

表面張力値は、コーティングが基材上にどのように拡散するかを示す。低い表面張力値を使用すると、通常はより良いコーティングが得られますが、表面張力値が低すぎると流動性の問題が発生します。表面張力を測定するもう1つの側面は、時間関数としての動作である。表面老化は既知の現象であり、時間とともに表面張力が変化する。懸滴法を用いて表面張力を測定すると、液滴が形成されると、界面活性剤分子が気液界面に移動し始め、平衡に達するまで表面張力が低下する。平衡を達成するのに必要な時間は、通常、より良いコーティングをもたらすので、できるだけ短くする必要があります。

[表面張力と界面張力-それは何であり、どのように測定しますか？]

接触角測定と表面自由エネルギーを用いて基材の最適な塗料処方を決定する

異なるコーティング間の差異を視覚的に検出することができない場合、接触角測定を使用して、所与の基材の最適なコーティング処方を決定することができる。より良好な濡れ性を示すので、低接触角が一般的に望ましい。表面張力測定は最適湿潤処方の指示を与えることもできるが、処方と基材との相互作用は初見よりも複雑であるため、接触角評価も重要である。

基材の表面自由エネルギーは、液体の表面張力に相当する固体特性である。表面自由エネルギー（SFEと略称する）と表面張力はいずれも極性力と分散力成分からなる。固体及び液体中の極性成分及び分散成分の分布は、接触角を決定する。したがって、極性／分散平衡が固体表面張力よりも低い場合、より高い表面張力処方はより低い接触角値を生成することができる。

塗料に使用できるISO規格はいくつかあります