界面活性剤

界面活性剤は、 2つの液体、液体と気体、または液体と固体の間の表面張力または界面張力を低下させる化合物です。「界面活性剤」という言葉は、surface ace- active agenを組み合わせたもので、^[1] 1950年に造られました。^[2]界面活性剤は、撥水部分と親水部分で構成されているため、水と油を混ぜることができ、泡を形成して汚れの剥離を促進します。

界面活性剤は、最も広く普及し、商業的に重要な化学物質の 1 つです。一般家庭や多くの産業では、界面活性剤を洗剤や洗浄剤として大量に使用していますが、乳化剤、湿潤剤、発泡剤、帯電防止剤、分散剤などとしても使用されています。

界面活性剤は、セイヨウトチノキやソープナッツなどの伝統的な植物由来の洗剤に自然に含まれています。また、一部の毛虫の分泌物にも含まれています。今日、最も一般的に使用されているアニオン界面活性剤の1つである直鎖アルキルベンゼン硫酸塩（LAS）は、石油製品から生産されています。しかし、界面活性剤は、砂糖、植物油由来の脂肪アルコール、バイオ燃料生産の副産物、またはその他の生物起源物質などの再生可能なバイオマスから全部または一部が生産されることが増えています。^[3]

ほとんどの界面活性剤は、親水性の「頭部」と疎水性の「尾部」を持つ有機化合物です。界面活性剤の「頭部」は極性があり、電荷を帯びている場合とそうでない場合があります。ほとんどの界面活性剤の「尾部」は、分岐、直鎖、芳香族のいずれかの炭化水素鎖で構成されており、非常に似ています。フッ素系界面活性剤にはフルオロカーボン鎖があります。シロキサン系界面活性剤にはシロキサン鎖 があります。

多くの重要な界面活性剤には、極性の強いアニオン基で終わるポリエーテル鎖が含まれています。ポリエーテル基は、界面活性剤の親水性を高めるために挿入されたエトキシル化 (ポリエチレン オキシドのような) 配列で構成されることがよくあります。逆に、界面活性剤の親油性を高めるためにポリプロピレン オキシドが挿入されることもあります。

界面活性剤分子は1本または2本の鎖を持ち、2本の鎖を持つものは二重鎖と呼ばれます。^[4]

一般的に、界面活性剤は極性頭部基によって分類されます。非イオン性界面活性剤の頭部には荷電基がありません。イオン性界面活性剤の頭部は正または負の電荷を帯びています。電荷が負の場合、界面活性剤はより具体的にはアニオン性界面活性剤と呼ばれ、電荷が正の場合、カチオン性界面活性剤と呼ばれます。界面活性剤に反対に帯電した 2 つの基を持つ頭部が含まれる場合、両性 イオン性界面活性剤と呼ばれます。各タイプでよく見られる界面活性剤には次のものがあります。

アニオン界面活性剤は、硫酸塩、スルホン酸塩、リン酸、カルボキシレートなどのアニオン官能基をその頭部に含んでいます。著名なアルキル硫酸塩には、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸ナトリウム（ドデシル硫酸ナトリウム、SLS、またはSDS）、および関連するアルキルエーテル硫酸塩であるラウレス硫酸ナトリウム（ラウリルエーテル硫酸ナトリウム、SLES）、およびミレス硫酸ナトリウムがあります。

その他には以下が含まれます:

• アルキルベンゼンスルホン酸塩
• ドキュセート（ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム）
• パーフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）
• パーフルオロブタンスルホン酸
• アルキルアリールエーテルリン酸
• アルキルエーテルリン酸

カルボキシレートは最も一般的な界面活性剤であり、ステアリン酸ナトリウムなどのカルボキシレート塩（石鹸）を構成します。より特殊な種には、ラウロイルサルコシン酸ナトリウムや、パーフルオロノナン酸、パーフルオロオクタン酸（PFOA または PFO） などのカルボキシレートベースのフッ素系界面活性剤があります。

pH依存性の第一級、第二級、または第三級アミン。第一級および第二級アミンはpH < 10で正に帯電する：^[5] オクテニジン二塩酸塩。

永久に荷電した第四級アンモニウム塩：セトリモニウム臭化物（CTAB）、セチルピリジニウム塩化物（CPC）、ベンザルコニウム塩化物（BAC）、ベンゼトニウム塩化物（BZT）、ジメチルジオクタデシルアンモニウム塩化物、およびジオクタデシルジメチルアンモニウム臭化物（DODAB）。

両性イオン界面活性剤は、同じ分子にカチオン中心とアニオン中心の両方が結合しています。カチオン部分は、第一級、第二級、第三級アミンまたは第四級アンモニウムカチオンに基づいています。アニオン部分はより多様で、スルタインCHAPS ( 3-[(3-コールアミドプロピル)ジメチルアンモニウム]-1-プロパンスルホネート) やコカミドプロピルヒドロキシスルタインなどのスルホネートが含まれます。コカミドプロピルベタインなどのベタインは、アンモニウムとのカルボキシレートを有します。最も一般的な生物学的両性イオン界面活性剤は、リン脂質のホスファチジルセリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルコリン、スフィンゴミエリンなどのリン酸アニオンとアミンまたはアンモニウムを有します。

ラウリルジメチルアミンオキシドとミリスタミンオキシドは、第三級アミンオキシド構造型 の一般的に使用される 2 つの両性イオン界面活性剤です。

非イオン性界面活性剤は、疎水性の親構造に結合した酸素含有親水基を共有結合しています。酸素基の水溶性は水素結合の結果です。水素結合は温度の上昇とともに減少するため、非イオン性界面活性剤の水溶性も温度の上昇とともに減少します。

非イオン界面活性剤は、陰イオン界面活性剤よりも水の硬度の影響を受けにくく、泡立ちも弱い。非イオン界面活性剤の個々のタイプ間の違いはわずかであり、選択は主に特殊な特性（例えば、有効性と効率性、毒性、皮膚適合性、生分解性）のコストや食品への使用許可を考慮して決定される。^[6]

• 狭域エトキシレート
• オクタエチレングリコールモノドデシルエーテル
• ペンタエチレングリコールモノドデシルエーテル

• ノノキシノール
• トリトンX-100

脂肪酸エトキシレートは、弱アニオン性、pH応答性ヘッドグループの特徴と、安定化および温度応答性エチレンオキシドユニットの存在を単一分子内に組み合わせた、非常に用途の広い界面活性剤の一種です。^[7]

• ポリエトキシル化牛脂アミン
• コカミドモノエタノールアミン
• コカミドジエタノールアミン

• ポロキサマー

• グリセロールモノステアレート
• グリセロールモノラウレート

スパン:

• ソルビタンモノラウレート
• ソルビタンモノステアレート
• ソルビタントリステアレート

トゥイーン：

• トゥイーン20
• トゥイーン40
• トゥイーン60
• トゥイーン80

• デシルグルコシド
• ラウリルグルコシド
• オクチルグルコシド

• アミノ酸系界面活性剤はアミノ酸から誘導される界面活性剤である。その特性は様々であり、使用されるアミノ酸と、アルキル/アリール鎖と縮合するアミノ酸の部分に応じて、アニオン性、カチオン性、または両性イオン性のいずれかになる。^[8]
• ジェミニ界面活性剤は、2つの界面活性剤分子がヘッドグループまたはその近くで結合したもので、モノマー界面活性剤に比べて臨界ミセル濃度がはるかに低い。^[8]

界面活性剤は通常、両親媒性に似た有機化合物であり、つまりこの分子は二重の物質として、それぞれ親水性の「水を求める」基（頭部）と疎水性の「水を避ける」基（尾部）を含む。^[9] 結果として、界面活性剤には水溶性成分と水不溶性成分の両方が含まれる。界面活性剤は水中に拡散し、空気と水の界面、または水と油が混合されている場合は油と水の界面に吸着される。水不溶性の疎水基はバルクの水相から空気相や油相などの非水相に広がる可能性があるが、水溶性の頭部基は水相に結合したままである。

疎水性末端は、その化学的性質に応じて、親油性（「油を求める」）または疎油性（「油を避ける」）のいずれかになります。炭化水素基は通常親油性で、石鹸や洗剤に使用されますが、フルオロカーボン基は疎油性で、汚れをはじいたり表面張力を低下させたりするのに使用されます。

界面活性剤の世界生産量は年間1500万トンと推定され、そのうち約半分が石鹸です。特に大規模に生産されている他の界面活性剤には、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩（170万トン/年）、リグニンスルホン酸塩（60万トン/年）、脂肪アルコール エトキシレート（70万トン/年）、アルキルフェノール エトキシレート（50万トン/年）があります。^[6]

バルク水相では、界面活性剤はミセルなどの凝集体を形成し、疎水性の尾部が凝集体の核を形成し、親水性の頭部が周囲の液体と接触しています。球状または円筒状のミセルや脂質二重層など、他の種類の凝集体も形成されます。凝集体の形状は、界面活性剤の化学構造、つまり親水性の頭部と疎水性の尾部のサイズのバランスによって決まります。このバランスの尺度が親水性親油性バランス(HLB) です。界面活性剤は、液体と空気の界面に吸着することで水の表面張力を低下させます。表面張力と表面過剰を結び付ける関係は、ギブス等温線として知られています。

界面活性剤の吸着のダイナミクスは、泡や液滴が急速に生成され、安定化する必要がある発泡、乳化、コーティングプロセスなどの実際のアプリケーションにとって非常に重要です。吸収のダイナミクスは、界面活性剤の拡散係数に依存します。界面が生成されると、界面への界面活性剤の拡散によって吸着が制限されます。場合によっては、界面活性剤の吸着または脱着に対するエネルギー障壁が存在する可能性があります。このような障壁が吸着速度を制限する場合、ダイナミクスは「速度論的に制限されている」と言われます。このようなエネルギー障壁は、立体反発または静電反発による可能性があります。界面活性剤層の表面レオロジー、層の弾性と粘度は、泡とエマルジョンの安定性に重要な役割を果たします。

界面張力と表面張力は、ペンダント法や回転滴法などの古典的な方法によって特徴付けられます。動的表面張力、つまり時間の関数としての表面張力は、最大気泡圧力装置によって得ることができます。

界面活性剤層の構造は、偏光解析法やX線反射率法によって研究することができます。

表面レオロジーは、振動滴法または二重円錐、二重リング、磁気ロッドせん断表面レオメータなどのせん断表面レオメータによって特徴付けることができます。

界面活性剤は、洗剤、柔軟剤、エンジンオイル、エマルジョン、石鹸、塗料、接着剤、インク、防曇剤、スキーワックス、スノーボードワックス、再生紙の脱墨、浮選、洗浄、酵素処理、下剤など、多くの実用的な用途や製品において、洗浄剤、湿潤剤、分散剤、乳化剤、発泡剤、消泡剤として重要な役割を果たしています。また、除草剤（一部）、殺虫剤、殺生物剤（消毒剤）、殺精子剤（ノノキシノール-9）などの農薬製剤にも使用されています。[ 10 ^]化粧品、シャンプー、シャワージェル、ヘアコンディショナー、歯磨き粉などのパーソナルケア製品。界面活性剤は、消火活動（可燃性物質に素早く浸透する「湿った水」を作るため^{[11] [12] ）やパイプライン（液体抵抗低減剤）に使用されます。アルカリ界面活性剤ポリマーは、}油井で石油を流動化させるために使用されます。

界面活性剤は、綿パッドや包帯のマトリックスから空気を排除する働きがあり、薬液を吸収させて体のさまざまな部位に塗布することができます。また、洗剤を使用して傷口を洗浄したり、薬用ローションやスプレーを皮膚や粘膜の表面に塗布したりすることで、汚れやゴミを取り除く働きもあります。^[14]界面活性剤は、土壌洗浄、バイオレメディエーション、ファイトレメディエーションによる修復を促進します。^[15]

溶液中では、界面活性剤は凝集体を解離し、タンパク質をほどくことで、さまざまな化学種の可溶化を助けます。生化学の研究室でよく使われる界面活性剤は、ラウリル硫酸ナトリウム(SDS) と臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB) です。界面活性剤は、細胞や組織を溶解してタンパク質を抽出するための重要な試薬です。界面活性剤は膜の脂質二重層(SDS、Triton X-100、X-114、CHAPS、DOC、NP-40 ) を分解し、タンパク質を可溶化します。オクチルチオグルコシド、オクチルグルコシド、ドデシルマルトシドなどのよりマイルドな界面活性剤は、酵素や受容体などの膜タンパク質を変性させずに可溶化するのに使用されます。可溶化されなかった物質は、遠心分離などの手段で回収されます。たとえば、電気泳動の場合、タンパク質は伝統的に SDS で処理され、天然の三次構造と四次構造が変性され、分子量に応じてタンパク質を分離できるようになります。

洗剤は臓器の脱細胞化にも使われてきました。このプロセスでは、臓器の構造と多くの場合は微小血管網を保存するタンパク質のマトリックスが維持されます。このプロセスは、ラットの肝臓や心臓などの臓器を移植用に準備するために効果的に使用されました。^[16] 肺サーファクタントは、哺乳類の肺胞のII型細胞によって自然に分泌されます。

界面活性剤は量子ドットの成長、^[17]集合、電気的特性、さらに表面反応の媒介に使用されます。界面活性剤が量子ドットの表面にどのように配列するかについては研究が進められています。^[18]

界面活性剤は、液滴ベースのマイクロ流体工学において、液滴の安定化と培養中の液滴の融合防止に重要な役割を果たしている。 ^[19]

ヤヌス型物質は、アジピン酸の合成のための界面活性剤のような不均一触媒として使用されます。^[20]

表面張力を高める物質は文字通り「表面活性」ですが、その効果は一般的な意味とは逆なので界面活性剤とは呼ばれません。表面張力を高める一般的な例は塩析です。弱極性物質の水溶液に無機塩を加えると、物質が沈殿します。その物質自体が界面活性剤である可能性があり、これが多くの界面活性剤が海水中で効果がない理由の 1 つです。

人体は多様なサーファクタントを生成する。肺サーファクタントは肺で生成され、全肺容量と肺コンプライアンスを増加させて呼吸を容易にする。呼吸窮迫症候群（RDS）では、サーファクタント補充療法により、サーファクタントの医薬品形態を使用して患者が正常な呼吸を行えるようにする。医薬品肺サーファクタントの一例としては、それぞれAbbvie社とTekzima社が製造するSurvanta（ベラクタント）またはそのジェネリック医薬品Beraksurfがある。肝臓で生成されるサーファクタントである胆汁酸塩は、消化に重要な役割を果たしている。 ^[21]

アニオン性および非イオン性界面活性剤のほとんどは無毒で、LD50は食塩と同程度です。抗菌性および抗真菌性を持つ第四級アンモニウム化合物の毒性はさまざまです。柔軟剤として使用されるジアルキルジメチルアンモニウム塩化物（DDAC、DSDMAC）は、LD50が高く（5g/kg）、本質的に無毒ですが、消毒剤のアルキルベンジルジメチルアンモニウム塩化物のLD50は0.35g/kgです。界面活性剤は皮膚やその他の細胞を保護する脂質膜を破壊するため、界面活性剤に長時間さらされると皮膚が刺激され損傷する可能性があります。皮膚刺激は一般に、非イオン性、両性、アニオン性、カチオン性界面活性剤の順に増加します。^[6]

界面活性剤は、意図されたプロセスの一部として、または産業廃棄物や家庭廃棄物として、さまざまな方法で陸上や水系に日常的に堆積します。^{[22] [23] [24]}

陰イオン界面活性剤は、下水汚泥の施用、廃水の灌漑、修復プロセスの結果として土壌中に存在します。界面活性剤の濃度が比較的高い場合、多金属と相まって環境リスクとなる可能性があります。低濃度の場合、界面活性剤の施用が微量金属の移動性に大きな影響を与える可能性は低いです。^{[25] [26]}

ディープウォーター・ホライズン原油流出事故では、前例のない量のコレクシットが流出現場と海面に直接散布された。界面活性剤が油滴を分離し、石油を消費する微生物が油を消化しやすくなるというのが理論上のようだ。コレクシットの有効成分は、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム（DOSS）、ソルビタンモノオレエート（Span 80）、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート（Tween-80）である。^{[27] [28]}

環境に放出される界面活性剤の量、例えば水中の洗濯用洗剤の多さから、その生分解性は大きな関心事である。ペルフルオロオクタン酸（PFOA）などのフッ素系界面活性剤の非生分解性と極度の残留性が大きな注目を集めている。 ^[29]分解を促進する戦略には、オゾン処理と生分解がある。^{[30] [31]} 2つの主要な界面活性剤、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸（LAS）とアルキルフェノールエトキシレート（APE）は、下水処理場や土壌で見られる好気性条件下でノニルフェノールに分解され、内分泌かく乱物質であると考えられている。^{[32] [33]} 生分解性界面活性剤への関心は、アミノ酸から誘導されるものなどの「バイオ界面活性剤」への関心を大いに高めている。^[34]バイオベースの界面活性剤は、生分解性を改善することができる。しかし、界面活性剤が魚の細胞を傷つけたり、水域に泡山を発生させたりするかどうかは、主にその化学構造によって決まり、元々使用された炭素が化石源、二酸化炭素、バイオマスのどれに由来するかには関係ありません。^[3]

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• 防曇剤 – 表面上の小さな水滴の結露を防ぐ化学物質
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• ココアンホジ酢酸二ナトリウム – 界面活性剤として使用される化学物質の混合物フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• エマルジョン – 2つ以上の混ざらない液体の混合物
• ハイドロトロープ – 化学物質フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• MBAS アッセイ – 科学的試験方法。青化反応によって水中の陰イオン界面活性剤の有無を調べるアッセイ。
• ニオソーム – 非イオン性界面活性剤ベースの小胞
• 油分散剤 – 油流出の処理に使用される乳化剤と溶剤の混合物Pages displaying short descriptions of redirect targets
• 塗料中の界面活性剤
• 界面活性剤の浸出

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