界面活性剤の働きと種類による特徴の違いは?

界面活性剤で作った泡とシャボン玉お掃除のコツ

石鹸や合成洗剤の主な洗浄成分として知られる「界面活性剤」は、他にも分散や乳化などの重要な作用を持っていて、日常生活においても産業においてもさまざまな用途に使われています。

このように多くの場所で働く界面活性剤は、実際にどのような仕組みで汚れを落とすのでしょうか。今回は、界面活性剤で汚れを落とせる仕組みと、界面活性剤の種類についてご紹介します。

界面活性剤はどうやって汚れを落としているの?

界面活性剤の「界面」とは「表面」のことで、2つの別々の(性質の異なる)物質の境界面のことを指します。2つの物質が混じり合わないとき、その間には必ず「界面」が存在します。例えば、水を入れたグラスにゆっくりと油を注ぎ込むと、水よりも軽い油は水の上にキレイに乗り、水と油の境界面がくっきり分かれて二層になります。この境界面を「界面」と言います。

この「界面」に注目すると、界面活性剤の働きがわかりやすいです。例に洗濯機を挙げると、水と空気の界面、水と汚れの界面、水と衣類の界面、汚れと衣類の界面、洗濯槽と水の界面、といったように、洗濯機の中にはさまざまな「界面」があります。これらの界面に働きかけ、界面の性質を変えるのが界面活性剤です。

前述のように、通常、水と油は互いに混じり合いません。しかし、ここに界面活性剤を主成分とする洗剤や石鹸を加えると、界面の性質が変化して水と油が混ざり合うようになります。これは、界面活性剤の分子がよくマッチ棒のように表される特殊な形状をしているからで、マッチの先端に当たる部分は「親水基」、マッチの棒に当たる部分は「親油基(疎水基)」と呼ばれます。

親水基は水と馴染みやすい部分、親油基は油と馴染みやすい部分ですから、ざっくり言えば界面活性剤は水と油を仲立ちする働きをしています。そのため、水と油をただ撹拌しただけでは混じり合いませんが、界面活性剤を加えると混じり合うようになります。衣類や食器についた油汚れも、界面活性剤の働きで水と混じり合った状態になり、落ちやすくなります。

もう少しこの過程を詳しく言うと、湿潤作用・浸透作用・分散作用・乳化作用という界面活性剤の持つ働きが順番に作用することで、油汚れが衣類や食器から離れて水と混ざり合うのです。

湿潤作用
  • 水の表面張力を弱める
浸透作用
  • 水を弾きやすい汚れなどを、水に染み込みやすくさせる
分散作用
  • 油をとても小さな粒にして取り囲み、水の中にばらばらに散らばらせる
乳化作用
  • 一度取れた汚れは、界面活性剤にしっかり包まれたまま

このようにして衣類や食器についた油汚れは、水中にばらばらに散らばって水と混ざり合い、再び汚れとしてくっつくことはありません(再付着防止効果)。

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界面活性剤には、どんな種類があるの?

界面活性剤には、まず大きく分けて「イオン性界面活性剤」と「非イオン界面活性剤」の2種類があります。これは、界面活性剤を水に溶かしたときにイオン(正または負の電荷を持つ原子、または原子団)となるか、ならないかで分類したものです。

イオン性の界面活性剤はさらに持っている電荷の種類によって「陰イオン界面活性剤」「陽イオン界面活性剤」「両性界面活性剤」の3種類に分けられ、非イオン性の界面活性剤はさらにその構造によって「エステル型」「エーテル型」「エステル・エーテル型」「その他」の4種類に分類されます。詳しく見ていきましょう。

イオン性界面活性剤とは?

イオン性界面活性剤には、陰イオン・陽イオン・両性の3種類があります。

陰イオン界面活性剤の特徴って?

水に溶けたとき、親水基の部分が負の電荷を持つ「陰イオン」に電離するタイプの界面活性剤です。代表的なものが石鹸で、古くからたくさんの種類の界面活性剤が開発されてきました。現在でもやはり合成洗剤に多く利用され、全界面活性剤の約半数がこの「陰イオン界面活性剤」だと言われています。

「家庭用品品質表示法」に従って界面活性剤の表示をする際には、以下のように使用する用語が決まっています。

脂肪酸系
  • 純石けん分(脂肪酸ナトリウム)
  • 純石けん分(脂肪酸カリウム)
  • アルファスルホ脂肪酸エステルナトリウム
直鎖アルキルベンゼン系
  • 直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム
高級アルコール系(陰イオン)
  • アルキル硫酸エステルナトリウム
  • アルキルエーテル硫酸エステルナトリウム
アルファオレフィン系
  • アルファオレフィンスルホン酸ナトリウム
ノルマルパラフィン系
  • アルキルスルホン酸ナトリウム

原則として界面活性剤の種類の名称を表示しますが、現在の分析方法で種類を特定できないなどといった例外的な場合、「高級アルコール系(陰イオン)」など、系統を示す用語のみが表示されることもあります。

陽イオン界面活性剤の特徴って?

水に溶けたとき、親水基の部分が正の電荷を持つ「陽イオン」に電離するタイプの界面活性剤です。石鹸と逆の電荷を持つイオンになるため、「逆性石鹸」と呼ばれることもあります。正(プラス)の電荷を持っていることから、負(マイナス)に帯電しているものの表面に強く吸着し、柔軟性・帯電防止性・殺菌性などの効果を発揮するため、柔軟仕上げ剤・リンス剤・消毒剤などに使われます。

陽イオン界面活性剤として使われるのは「第四級アンモニウム塩系」で、「アルキルトリメチルアンモニウム塩」または「ジアルキルジメチルアンモニウム塩」です。

両性界面活性剤の特徴って?

水に溶けたとき、アルカリ性の領域では陰イオン界面活性剤の性質を、酸性の領域では陽イオン界面活性剤の性質を示すという、両方の性質を発揮できる界面活性剤です。洗浄性や起泡性を高めるための「補助剤」として広く使われます。両性界面活性剤には、以下のような種類があります。

アミノ酸系
アルキルアミノ脂肪酸ナトリウム
ベタイン系
アルキルベタイン
アミンオキシド系
アルキルアミンオキシド

非イオン界面活性剤とは?

非イオン界面活性剤とは、上記の3種類のようにイオン化しない親水基を持つ界面活性剤のことで、イオン化しないために水の硬度や電解質の影響を受けにくく、他のすべての界面活性剤と併用できます。こうした使いやすさから、近年では非イオン界面活性剤の使用量が非常に増えてきています。非イオン界面活性剤も、主に以下の3種類に分類されます。

エステル型
  • グリセリン、ソルビトール、ショ糖などの多価アルコールと脂肪酸がエステル結合した構造を持つ
  • 非イオン界面活性剤の中ではもっとも古い歴史がある
  • グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステルは食品添加物として認可されていて、食品の乳化剤や化粧品に広く使われ、洗浄剤としてはほとんど使われない
エーテル型
  • 高級アルコールやアルキルフェノールなどの水酸基を持つ原料に、主として酸化エチレン(エチレンオキシド)を付加重合して作られる
  • 代表的な非イオン界面活性剤として、洗浄剤など各種用途に使われる
エステル・エーテル型
  • 脂肪酸や多価アルコール脂肪酸エステルに、酸化エチレンを付加したもの
  • 分子中にエステル結合とエーテル結合の両方を持ち、主に乳化剤や分散剤として使われる

エーテル型、エステル・エーテル型はともに酸化エチレンを付加したタイプの界面活性剤なため、「エトキシレート型」「ポリエチレングリコール型」などと呼ばれることもあります。また、上記以外にも以下のような非イオン界面活性剤があります。

脂肪酸アルカノールアミド
  • 親油基と親水基がアミド結合で結合している
  • 安定な泡を作るため、洗剤などの泡安定剤として使われる
アルキルポリグルコシド
  • 皮膚刺激性が弱く、洗浄力や起泡力に優れているため台所用洗剤やシャンプーに多く使われるようになってきた

非イオン界面活性剤には、以下のような種類があります。

脂肪酸系(非イオン)
  • ショ糖脂肪酸エステル
  • ソルビタン脂肪酸エステル
  • ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル
  • 脂肪酸アルカノールアミド
高級アルコール系(非イオン)
  • ポリオキシエチレンアルキルエーテル
アルキルフェノール系
  • ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル

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おわりに:界面活性剤の主な働きは、混じり合わない水と油の仲立ちをすること

界面活性剤は、その分子1つの中に水と混じりやすい「親水基」と、油と混じりやすい「親油基(疎水基)」の両方を持っています。このため、単にかき混ぜただけでは混ざらない水と油を混じり合わせることができるのです。

界面活性剤は親水基の性質によってイオン系、非イオン系に分けられ、さらにイオンや構造の種類によって使われ方が異なりますが、いずれも洗浄剤や乳化剤、分散剤などとして使われています。

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