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界面活性剤(かいめんかっせいざい、surface active agent、surfactant)は、分子内に水になじみやすい部分(親水基)と、油になじみやすい部分(親油基・疎水基)を持つ物質の総称。両親媒性分子と呼ばれることも多い。ミセルやベシクル、ラメラ構造を形成することで、極性物質と非極性物質を均一に混合させる働きをする。また、表面張力を弱める作用を持つ。

洗剤の主成分であり、有用な性質を多くもつため、工業的に大量に合成・使用されている。サポニンやリン脂質、ペプチドなど、天然にも界面活性剤としてはたらく物質は数多く存在する産業技術総合研究所「バイオサーファクタントの構造」。[外部リンク] PDF。

◆ 概要

界面近傍では界面自由エネルギーが高くなり不安定化するので、界面はできるかぎり表面積を小さくしようとする(界面張力)。ひとつの分子内に親水基と親油基をもつ両親媒性の化学構造をもつ物質が界面上に並ぶことにより、この不安定な状態が緩和される、つまり界面自由エネルギーが小さくなる。このような特性をもつ物質を界面活性剤という。

界面活性剤は洗剤用途に大量に使用されているほか、食品や化粧品の乳化剤・保湿剤としても重要な位置を占める。界面活性剤は微妙に化学構造を変化させただけで大きく異なる特性となるため、非常に多くの種類のものが生産・使用されている。

その一方で、洗剤などを含む排水が水質を汚染させ公害の原因となることも指摘されている。

◆ ミセル

溶媒に界面活性剤を加えていくと、界面活性剤の量が少ないうちは、ほとんどが疎水基を空気側へむけて溶媒面に集まる。量を増やしていくとやがて臨界量(臨界ミセル濃度、critical micelle concentration, CMC)に達し、水では親水性部分を外側に、親油性部分を内側にしたミセル(右上図参照)を、非極性溶媒中では内外の反対になったミセルを形成する。このミセルの内部には外部環境とは性質の異なる物質を取り込むことができるため、界面活性剤の存在下では極性・非極性の両方の物質が均一に混合した溶液が作成できる。親水性物質と疎水性物質を均一化する作用を界面活性作用といい、

。

CMCは界面活性剤の特徴を示す重要な数値であり、これを境に溶媒の物性が大きく変化する。この値が小さいほど界面活性剤としての性能は高い。なお、CMCを超えて濃度を高くしてもミセルの大きさは数nmのまま変わらずに、数だけが増えていく。しかし、さらに濃度を高くしていくと溶液が白濁し始め、全体的にゲル化していくようになる。これは、それまで球体であったミセルが棒状あるいは層状のミセルへと構造を変えるためである。このようなミセルが増えると、屈折率が変化し白濁して見えるようになる。また、層状ミセルが集合体となってリオトロピック液晶とよばれ、独特のテクスチャーを示す。

◆ 適正温度

界面活性剤が機能するためには適正な温度範囲が存在する。イオン性界面活性剤は温度が低いとアルキル基部分が結晶化してしまい、うまくほぐれない。この臨界温度をクラフト点 () という。しかし、非イオン性の界面活性剤では逆に、温度が高いと水に溶けきれなくなって溶液が白濁する。この温度を曇り点 (cloud point) という。非イオン性界面活性剤はエーテル結合酸素と水分子との水素結合によって水溶性を示すが、高温では水素結合が切れて溶解度が下がるためにこのようなことがおこる。

◆ 乳化・可溶化

水と油のように互いに混ざり合わない物質でも、界面活性剤を加えると白濁して均一になる(分離しない)。この白濁した液体をエマルションといい、これの作用を乳化という。このことから界面活性剤は乳化剤と同義で用いられることもある。エマルションは液/液コロイドの一種である。エマルションは熱力学的には不安定な状態であるため、時間が経過するといつかは二層分離する。

液/液コロイドにおいて被分散液体が少量であるとき、それを囲むミセルはきわめて小さく、微視的には膨潤ミセルを呈し、外見上は無色透明あるいは青白い液体となる。これを可溶化 (solubilization) といい、得られた液体はマイクロエマルションという。これは上述の乳化系で得られるエマルションとは異なり、熱力学的に安定であるため二層分離することは無い。可溶化はミセル内に被分散体が取り込まれて起こる現象であるため、ミセル形成が始まるCMCより濃度が高くなると可溶能は急激に向上する。

ここで〇/△コロイドとは、△溶媒に〇溶質を含んだ微粒子(ここではミセル)が分散している系のことである。固/水コロイドならば、ミセル中に固体を取り込み水中に分散しているものを指す。

また乳化方法としては以下のような方法が一般的に知られている。

・機械乳化

・転相乳化

・液晶乳化

・転相温度乳化(PIT乳化)

・D相乳化

・可溶化領域を利用した超微細乳化

◆ 分散・凝集

液/液コロイドでは乳化がみられるが、固/液コロイドでは分散 (dispersion) とよばれる現象がおこる。たとえば水にすすを加えても混ざることはない。しかし界面活性剤を加えるとすすを中心にミセルが形成され、水の中に散らばって安定となる。これはミセルコロイド同士が互いに電気的に反発するからである。墨汁や口紅・インクなどは分散を利用して、非水溶性の物質を水に溶かし込んでいる。また、洗剤の汚れをはがす作用は乳化・分散によるものである。

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