界面活性剤入門２(乳化剤、可溶化、エマルション編)

まず、界面とは異なった性質を持つ２つの物質の間に存在する境界面のことで、液体と固体、液体と液体、液体と気体の間に界面が存在します。​
この界面において洗浄や乳化、分散、湿潤、浸透などの機能を発揮して性能を高めるのが界面活性剤です。​

界面 ＝ 異なった性質を持つ２つの物質の間に存在する境界面
液体と固体 ： コップとコーヒー、機械と潤滑油​
液体と液体 ： 水と油​
液体と気体 ： 海水と大気、シャボン玉

界面活性剤の役割例
洗浄     ・・・  汚れを落とす​
乳化・分散  ・・・  混ざり合わないものを混ざりやすくする
湿潤・浸透  ・・・  濡れやすく、しみ込みやすくする

水と油を混ぜることを乳化するといい、乳化して得られたものを「乳化物」または「エマルション」と呼びます。

水と油は混ざらずに分離しますが、界面活性剤を添加することにより、界面活性剤が油もしくは水に付着して粒子を形成します。ミセル粒子が水中で安定する事により、乳化します。「乳化」の中でも、油が透明になって水に混じる現象を「可溶化」と呼びます。（「可溶化」している状態では、ミセル粒子の直径が光の波長より短いため透明に見えます）

そのままでは混ざらない水と油に界面活性剤を加えてやると、水と油の反発している接触面に界面活性剤がやってきて、水に親水基、油に親油基を配向させ、水と油の反発を防ぐ（表面張力を下げる）ことができます。

水滴をゆっくり滴らせると、しばらく落下したところで、水滴は球状になろうとします。
これは、水の表面に表面張力という収縮力があって、そのために水滴が最も表面積の小さな形をとろうとするからです。
下表に液体の表面張力の例を示します。

水と比較して、オクタンやベンゼンのような炭化水素は表面張力が小さくなります。
界面活性剤の親油基は、主に炭化水素基なので、界面活性剤が存在すると、水と空気および水と油の界面は、下図に示すようになり、表面張力が低下することが説明できます。

図　界面活性剤の濃度変化と界面活性剤の挙動の関係

界面活性剤の濃度が高くなると、水溶液表面にぎっしり並んで単分子膜を形成し、空気と水との直接の接触を完全に遮断してしまう((c)の状態)。この状態は、上図にて表面張力のカーブが下がってしまって、水平になろうとするあたりに対応し、この濃度から、もう少し濃度の高い辺りでは、水溶液中に界面活性剤分子が数十～数百個程度ずつ集まって、お互いの親油基を内側に向け、親水基を外側に向けた集合体（ミセル）となってきます。この界面活性剤のミセルが形成される最低の濃度のことを臨界ミセル濃度（c.m.c.）といいます。

植物油や農業など、性質の異なった油を水に安定して乳化させるには、それぞれ用途に合った適切な界面活性剤をを選択することが必要です。

この選択には、界面活性剤の親水性と親油性のバランスが強く関わっており、このバランスを示す指標としてHLB（Hydrophile-Lipophile Balance）が提案されている。HLBの表し方には、グリフィンの方法などいくつかの方法があるが、中でも、界面活性剤の有機性と無機性を指標に計算する方法が便利です。

この式において、有機化合物の有機性と無機性の数値は下表に示す数値から計算されます。

　HLB≒10×無機性／有機性

有機性の数値：炭素原子1個当たり20と定める
無機性の数値：上表の数値による。ただし
①HLBの計算に利用する場合には、オキシエチレン(ーCH2CH2Oー)を特別扱いして、無機性値75、有機性値40を与える
②無機性基中の炭素原子に対しては有機性を別に加算のこと
③有機性兼無機性基中の炭素原子は、兼有の有機性数値中に加算済み。
④2つの文献値が存在するが、乳化に関しては、()内の数値のほうが適当なことが多い。

次に、水と油がなぜ溶け合わないのかをくわしく考えてみます。お互いに溶け合うか、あるいは溶け合わずに分離してしまうかは、溶解度パラメーター（Solubility Parameter：SP値）と呼ばれる数値が重要な因子となります。

このSP値は、化合物を構成している官能基の凝集エネルギー密度の平方根で示される。低分子量の化合物同士であれば、このSP値がかなり離れていても相溶するが、高分子量の化合物同士であればSP値が通常約1以上離れていると相溶しません。

例
・SP値が高い化合物：水（SP値＝23.4）　
・SP値が低い化合物：トルエン（SP値＝8.9）
水とトルエンはお互いに溶け合わない

水とトルエンのような、お互いに溶け合うかことのない化合物も、エマルション状態としておけば、水にそれぞれの化合物が乳化した状態なので、混ざりあうことが可能となります。

なお、エマルション同士であれば全てが混ざり合うわけではないので、少し注意が必要となります。
エマルション同士が混ざり合うかどうかは、エマルション粒子のイオン性が重要な支配因子となります。

エマルション粒子のイオン性とは、その粒子の電気的な性質のことであり、アニオン性、カチオン性、非イオン性に分けられます。

これらのエマルションのうち、アニオン性とカチオン性のエマルションを混ぜると、お互いの粒子同士がくっつき合い凝集してしまうため、エマルションが破壊してしまいます（同じイオン同士や、非イオン性エマルションの組み合わせであれば、通常はエマルションが破壊することなく混合可能です。）

図　イオン性の異なるエマルションを混ぜたときの状態変化

塗料・接着剤分野においては、耐久性や被着体の性質によって、溶剤系とエマルション系の使い分けがなされています。

水性塗料や水性接着剤は、合成樹脂のエマルションを主成分としたものであり、この合成樹脂エマルションは、乳化重合と呼ばれる方法で合成されたものがほとんどです。

乳化重合とは、不飽和二重結合をもったモノマーを、乳化剤のミセルの中で重合し、高分子量化する方法です。得られる樹脂の分子量は通常、10万を超え、水に乳化しながら高分子量の樹脂を得る大変効率的な方法です。

不飽和二重結合と乳化機能を1分子中に併せもった反応性乳化剤と呼ばれるものも開発されています。非反応性の乳化剤を用いたエマルションでは、乾燥して被膜を形成したときに樹脂から乳化剤が遊離しやすく、被着体との接着力を低下させる原因となります。一方、この反応性乳化剤は、樹脂と化学結合し、樹脂中に取り込まれるので、エマルションが乾燥して皮膜を形成したときにも樹脂から遊離しないため、接着性能に優れている。

衣料の原料には綿や羊毛、絹のような天然繊維と、ポリエステルやナイロンのような合成繊維があります。この合成繊維は、モノマーの重合反応により、ポリマーを合成し、これを直径が1～100μm程度に細く引き延ばして製造される。　合成繊維は強度が強く、太さや形状などを自由に変更できるので、さまざまな機能をもたせることが可能であり、今日では天然繊維を超える生産量に達しています。

合成繊維を製造するときに使用される繊維用油剤について以下記載いたします。

これらの機能は、いずれも最終製品では必要がなく、また、糸にこのような油剤がくっついていると、布を染めるときに染色むらを引き起こすため通常、繊維用油剤は染色前の精錬工程で取り除かれる。　したがって、繊維用油剤は、最終製品には残っていないが、合成繊維を効率的に生産するうえで、極めて重要な役割を果たしている。

さて、この繊維用油剤は水に油が乳化された形、すなわち水中油型エマルションとして糸に付与されることが多いが、これは主に次の理由による。

①平滑性に優れた成分は疎水性が強く、通常、水に溶解しないので、必要最小量を均一に付着させるには、水で自由に希釈できるように、エマルションとしておく

②分散媒である水は、熱容量と蒸発潜熱が大きいため、糸の冷却効果に優れている。なお、希釈剤としての水は、安価でかつ火災などの心配がないので最適である。

染色後の合成繊維に各種機能を付与する薬剤を繊維用仕上剤と呼び、こちらもエマルションの形態で用いられます。

繊維に求められる機能の例としては、柔軟性、反発弾性などの風合い、撥水・撥油性、吸水性、可縫性、帯電防止性、抗菌性、防風性、ピリング防止性などのさまざまなものが挙げられる。

図　繊維製品のできるまで

繊維用仕上剤は、前述のように大変多くの機能を付与する薬剤であり、1つの薬剤だけではその要求にはこたえられない。従って、いくつかの種類の薬剤を混ぜて使用することになるが、ここで乳化機能が大いに活躍する。

水溶液であれ、有機溶剤の溶液であれ、均一な溶液とするには溶質（溶媒中に溶けているもの）は溶媒に溶解しなければならない。1つの溶質をある溶媒に溶解することは簡単であるが、性質の異なるいくつかの溶質を同じ溶媒に溶解させることは不可能な場合が多い。

上表に溶質としてワックスとポリビニルアルコールを用い、これを溶媒に溶解させる例を挙げた。
ワックスは極性が低いので、非極性溶媒であるトルエンには溶解するが、極性溶媒である水には溶解しない。一方、ポリビニルアルコールは極性が高いので、水には溶解するがトルエンには溶解しない。このように、溶媒と溶質の特性、すなわちSP値が近いものでないと均一に溶解することができない。

そこで、これら性質の異なる溶質（この場合、各種仕上剤）は、乳化によって1液化する方法がとられています。

農薬の中に乳剤と呼ばれるものがあります。これは、農薬に乳化剤などを加えた液状のものであり、水に乳剤を注ぐことによって容易に農薬が水に乳化できるように仕組まれています。通常のエマルションは、機械的にせん断力を加えることによって製造されることがほとんどですが、農薬の場合には、このような機械を持たない農家や、一般家庭で使用されるため、自然乳化（水に油分を加えるだけで乳化すること）できるように仕組まれています。

乳化剤の寄与
①水と油の界面張力を下げる作用
②粒子表面に電荷を与え、粒子相互間の反発を与える作用
③油粒子に吸着膜を形成し、粒子表面を保護する作用

乳化剤としては、通常は、親油基と親水基を1つの分子中にもつ界面活性剤が用いられるので、①の作用は備えている。また、イオン性の界面活性剤を用いる（併用する）ことにより、②の作用も付け加えられる。ある油を乳化するのに、最適な乳化剤を選定するうえで、通常最も難しいのは、③の作用の最適化である。この③の作用を効率良く発揮するには、乳化剤は油粒子と強い相互作用を持ち、かつ水とも親和性がよいこと（親油基と親水基のバランス）が重要です。

化粧品をその目的別に分類すると、皮膚清浄化粧品、スキンケア化粧品、仕上げ（メイクアップ）化粧品に大別されますが、
本ページでは、これらの分類のうち、乳化機能と関連の深いスキンケア化粧品、特に化粧乳液および化粧クリームについて紹介いたします。

化粧乳液と化粧クリームの役割は、皮膚、特にその最外層である角質層に水分と油分を補い、保湿および柔軟性を付与することにあります。
そのため、水に油分を乳化させたエマルションは、水分と油分を一度に、かつ、比較的自由な割合で皮膚に与えることができるので、好都合です。ここで乳化機能が重要な役割を果たしています。

弊社は界面活性剤メーカーとして、多数の乳化・可溶化関連製品をラインナップしています。

当社の乳化剤の構造と特長を下表に示します。ノニオン性とアニオン性があり、それぞれ乳化性や分散安定性、粒子径などに特長があり、目的に応じて選択され、併用されることも多くあります。

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