界面活性剤入門３(浸透剤、湿潤剤、繊維用薬剤)

界面活性剤の機能紹介動画の構成
0:00　界面活性剤の機能紹介 　
0:21　パート①　洗浄性（布の洗浄実験） 　
1:05　パート②　浸透性（疎水性繊維への浸透性付与の実験、不織布への浸透性付与の実験）
2:15　パート③　分散性（無機顔料の分散実験）　
3:00　パート④　起泡性（起泡剤添加の実験）　
3:25　パート⑤　消泡性（消泡剤添加の実験）　
3:44　パート⑥　平滑性（シートベルトの平滑性テスト）
4:25　パート⑦　抗菌性（抗菌剤添加の実験）

通常、ぬれは以下の3つに分類することができます。

界面活性剤がないとき
水滴は、水の表面張力で表面積が最も小さい球状になろうとします（水滴の表面エネルギーを最小にしようとする）。
また、ガラス面は、表面に気体分子を吸着させることでエネルギーを下げて安定しています。
⇒水滴とガラスが接触した際、水滴はガラス上で球形になります（＝ぬれていない）

界面活性剤があるとき
界面活性剤は固体と液体が反発している接触点に集まり、水滴は広がりやすくなります。
⇒ガラスの表面に水滴が付着した接触角が小さくなります。

γs　＞　γℓ・cosθ＋γsℓの場合：水滴は広がりやすくなる
γs　＜　γℓ・cosθ＋γsℓの場合：水滴は球形に近づこうとする。
γs　＝　γℓ・cosθ＋γsℓの場合：水滴は静止していて、このときのθが接触角となる。

さらにこの式を変形していくと、接触角は次のとおり表面張力と界面張力で表すことができるようになります。

水滴に界面活性剤を溶かしこんだ際の挙動
固体の表面張力　γs：固体の種類によって一定（界面活性剤の有無により変化しない）
水の表面張力　γℓ：界面活性剤の添加により小さくなる
水と固体との間の界面張力　γsℓ：界面活性剤の添加により小さくなる




界面活性剤を添加すると、上記式の右辺は大きな数字となり、これと釣り合うために左辺の接触角θが小さくなる必要があります。
こうして界面活性剤の界面張力低下作用は、接触角θを減少させることになり、湿潤作用や浸透作用を増大させる方向に作用します。
これが湿潤剤や浸透剤の作用機構となります。

繊維はその化学構造によってぬれ方がかわってきます。下表に、ぬれやすい繊維、ぬれにくい繊維をまとめます。
なお、この分類はよく精錬した繊維についてであり、実際は、繊維には油剤や天然のワックスが付着していることが多く、この分類とは異なる場合もあります。

布ができるまでの製造過程では、繊維を処理する条件が酸性またはアルカリ性であったり、あるいは無機塩類が大量に含まれていたりします。これらは浸透剤の浸透力にも大きく影響します。

浸透力を低下させる要因の例
・一般に非イオン性浸透剤はアルカリ性では浸透力が低下することが多い。
・アニオン性浸透剤は、酸性で浸透力が低下することが多い。
・分子中にエステル結合をもつ浸透剤は、強酸性や強アルカリ性では高温で分解して浸透力が低下することがある。
・アニオン性浸透剤の硫酸エステル塩型浸透剤は酸性溶液中で分解し、使用中に浸透力が低下することがある

合成繊維の製造工程の流れ　
ポリマーの製造　⇒　紡糸　⇒　延伸　⇒　後処理工程

繊維油剤の役割
主に防止工程で糸を引きやすくする紡糸油剤のことを指します。浸透・湿潤剤を添加し、薬剤が効果を発揮するのを助けます。

最も水にぬれにくいポリプロピレン繊維の繊維油剤処理工程を例として説明します。

ポリプロピレン繊維を油剤で処理する場合、油剤は水に乳化あるいは分散させた状態で使用されます。
ポリプロピレン繊維は水にぬれにくいため「油剤が付着しにくい」、「油剤が繊維の束の内部まで浸透しにくい」などの問題を起こしやすくなります。

この問題を解決するため、通常油剤に湿潤・浸透作用を付与する目的で非イオン性やアニオン性湿潤・浸透剤を添加しています。
接触角を小さくでき、浸透力に優れる高級アルコールEO付加物やスルホコハク酸型界面活性剤を添加して、油剤がポリプロピレン繊維の束に浸透しやすくしています。

染色する前の布には、天然繊維、合成繊維を問わず、紡績や製織などの工程で油剤やのり剤などが付与され、さらにほこりや機械油なども付着しています。これらの付着物は、繊維加工処理を行う際にさまざまな問題を発生させます。
（例えば染料の浸透を妨げ、染色ムラを生じさせる等）

これらの問題の発生を防ぐため、染色工程では染色前にこれら付着物を完全に取り除く精錬という処理を行います。

木綿の精錬に使用される浸透剤の例
木綿はアルカリに対して非常に強いため、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムのような強いアルカリとアニオン性浸透剤や非イオン性浸透剤との併用で精錬されることが多くあります。また木綿は熱にも強く、短時間で精錬効果が得られる高温で精錬されています。

織布では、経(たて)糸にのりをつけるのり付け工程があります。

のり剤としてはデンプンおよびゼラチンが使用されていましたが、アルギン酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、その他の合成のり剤が使用されるようになっています。

経糸に対するのり剤の付着量が多くなるほど、のり付け工程の効率がよいこととなります。
浸透剤は、のり剤の浸透力をアップさせ、のり剤を短時間に繊維間のすき間に入れ付着量を多くするために使用されています。

布を白くする漂白剤の効果を高めるために浸透剤が使用されます。

漂白方法も機械化が進むにつれ連続工程となり、速度が早くなるにつれ、漂白液を短時間で均一に浸透させることが必要となってきています。
そこで、浸透剤の優劣が決め手となってくる。この他、連続生産では浸透性以外にも起泡性が低いことが重要となります。

綿布、レーヨン布などの漂白は、多くの場合、亜塩素酸ナトリウムを使用して弱酸性で行われます。
浸透剤としては、非イオン性浸透剤が適しており、あるいはアニオン活性剤との配合物が使用されます。

木綿、麻などの天然繊維およびビスコース・レーヨンのような再生繊維の場合、これらの繊維表面には吸着サイトとしてイオン基が存在しないため、使用される染料としては、直接染料、ナフトール染料、硫化染料、建染染料、反応染料などが使用されます。

染色の第一段階は、染料液の繊維への浸透であり、この段階でいかに浸透するかが均染に大きく影響してきます。
このため、使用する染色助剤には、浸透機能に重点が置かれます。

染色に使用されている浸透剤の一例を以下に示します。
・ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム
・アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム
・アルキル硫酸エステルナトリウム
・高級アルコールEO付加物

マーセル化
木綿の繊維を20～30％の濃い水酸化ナトリウム水溶液に常温付近で浸漬すると木綿繊維はアルカリによって膨潤して太くなると同時に長さが急速に収縮し始めます。このとき、繊維が収縮しないように引っ張っておくと、光沢のある染色しやすい木綿繊維になります。
シルクのような光沢をもつ綿製のゴルフシャツやブラウスはこの方法でつくられています。

マーセル化工程においても、アルカリ液の綿布内への均一で速やかな浸透は重要ですが、このような濃いアルカリ液へは普通の浸透剤はまったく溶解しないので、特殊な浸透剤が必要となります。

アルカリ浸透剤について
アルカリ浸透剤としては、下表のように疎水基が小さい界面活性剤が適しています。
疎水基が小さいと、普通の水には溶けすぎて界面活性をあまり示しませんが、濃アルカリ溶液中では溶解度が減少して適度の溶解度になるので、優れた浸透力を発揮します。

現在では、炭素数が5～10くらいの低級なアルキル基をもつスルホン酸塩や硫酸エステル塩のようなアニオン性浸透剤と、ブチルセロソルブなどの溶剤との配合物が使用されています。

R(C5～C10)ーSO3Na
R(C5～C10)ーOSO3Na
C4H9OCH2CH2OH（ブチルセロソルブ）

衣服の洗浄過程の例
①繊維のすき間へ洗剤液が浸透する過程
②a)汚垢を繊維の表面から分離する過程
b)汚垢を分散し保護する過程
③汚垢を洗浄系から除去する過程

これら3つの過程の内、①の過程は洗浄液が繊維のすき間にある汚垢を除去するため繊維をぬらし、そのすき間に浸透して汚垢との接触を行うことであり、食器や金属のような平滑な固体表面を洗浄する場合にはほとんど不必要な作用となります。

次に、浸透した洗浄液が　②a)の過程において汚垢を繊維から引き離す作用をします。
②b)は離脱した汚垢粒子をより小さな粒子に分散して、いったん分散した粒子が再凝集しないように汚垢粒子を保護する過程で、洗剤の乳化、分散、再付着防止作用がこの働きをします。

γow：洗浄液と油汚れのとの界面張力、　γws：洗浄液と繊維との界面張力、　γos：繊維と油汚れの界面張力、　θ：接触角

図　洗浄機構の概念

洗浄については、以下ページもご覧下さい。　
界面活性剤入門その１(洗浄編)

酸化剤を使用する場合、浸透剤や洗浄剤などの界面活性剤を溶解させ、使用することは可能なものの、酸化剤と界面活性剤を併用した場合、保存時に界面活性剤が酸化分解される問題が生じてきます。
このため、酸化されやすい結合をもたない界面活性剤を選ぶ必要があります。

過酸化水素を使用する場合
高級アルコールEO付加物のような非イオン界面活性剤でも安定に配合することが可能。

次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合
次亜塩素酸ナトリウムを安定に保つためアルカリ性にする必要あり。
⇒　酸化安定性　および　アルカリ性においても安定である必要あり。
高級アルコールEO付加物では酸化分解されるため、通常スルホン酸型のアニオン界面活性剤が使用される。

農業用展着剤として使用される界面活性剤
上記の中で界面活性剤が湿潤剤として使用されるのは、主に乳剤と水和剤であり、下表に示すような界面活性剤が使用されています。
シリコーンから誘導された界面活性剤は、炭化水素系の界面活性剤に比べて表面張力低下能に優れています。

通常、農業用展着剤としての湿潤剤の使用量は、トリデシルアルコールEO付加物のような場合、臨界ミセル濃度(c.m.c)以上の0.01~0.1%使用すれば十分ですが、植物を対象にしている場合が多く、植物への薬害にも十分注意する必要があります。

暑い時期にゴルフ場に発生する芝枯れをドライスポットと呼びます。

ドライスポットは、芝生の根に存在している嫌気性菌が、代謝によりワックス状の物質を生産し、それが土壌表面近くで不透水層をつくり、雨水や散水した水を土壌中に浸透しにくくしたうえに太陽で熱せられ、水枯れ状態となって発生するものです。

ここで使用される界面活性剤の役割としては、水を浸透しやすくする浸透剤としての働きと、ワックス状の物質を乳化して不透水層をできにくくする働きがあります。

このためドライスポット防止剤に要求される機能は、農業用展着剤同様に、表面低下能低下能に優れること、薬害が低いことが挙げられます。
ドライスポット防止剤としての界面活性剤の使用量は、展着剤と同様に、臨界ミセル濃度以上の濃度であれば十分であり、また、薬害防止のため散布量や回数にも注意する必要があります。

水系エマルション塗料は、樹脂エマルションと無機顔料を主成分とし、これに分散剤をはじめいくつかの添加剤を加えてつくられます。
無機顔料は、粒径0.01～数μm程度の微粒子(1次粒子)が数個から数十個集まった凝集体(2次粒子)より成り立っていますが、これに分散剤と水を加え、顔料分散装置にかけて分散させると、凝集体は微粒子に分散します。




顔料の分散が終わった分散液は顔料が微粒子となって分散しているため鮮やかな色を示します。
その後、樹脂エマルションや少量の添加剤を加えて塗料が出来上がります。

分散剤を全く加えないと...?
①機械による分散効率が落ちる（分散に長時間要したり、物理的な強い分散力が必要となる）
分散剤単独ではぬれにくい場合、浸透剤を別で添加することもあります。

②分散された微粒子が再凝集することにより塗料の色がくすんでしまう。
また凝集粒子は沈降しやすいため、塗料が分離するなどの問題も起こりやすくなる。


水系分散剤
・高級アルコールEO付加物
・ソルビタン脂肪酸エステル
・ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム
・ナフタレンスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物
・ポリスチレンスルホン酸ナトリウム
・ポリアクリル酸ナトリウム
・カルボキシメチルセルロース

非水系分散剤
・ポリアクリル酸部分アルキルエステル
・ポリアルキレンポリアミン