表面活性剂

表面活性剂_6分词条

(图)表面活性剂

表面活性剂(surfactant),被誉为“工业味精”,是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。它是一大类有机化合物,他们的性质极具特色,应用极为灵活、广泛,有很大的实用价值和理论意义。英国著名界面化学家Ckint说:“冰淇淋是我们最爱的食物;有了洗涤剂我们的生活才如此美好。若没有表面活性剂,这两样东西都不会有。这真是太可悲了。”

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表面活性剂 概述

 

表面活性剂一词来自英语surfactant。它实际上是短语surface active agent的缩合词。它还有一个名字叫做tenside。凡加入少量而能显著降低液体表面张力的物质,统称为表面活性剂。它们的表面活性是对某特定的液体而言的,在通常情况下则指水。 表面活性剂一端是非极性的碳氢链(烃基),与水的亲和力极小,常称疏水基;另一端则是极性基团(如—OH、—COOH、—NH2、—SO3H等),与水有很大的亲和力,故称亲水基,总称“双亲分子”(亲油亲水分子)。为了达到稳定, 表面活性剂溶于水时,可以采取两种方式:

(图)表面活性剂

1、在液面形成单分子膜。

将亲水基留在水中而将疏水基伸向空气,以减小排斥。而疏水基与水分子间的斥力相当于使表面的水分子受到一个向外的推力,抵消表面水分子原来受到的向内的拉力,亦即使水的表面张力降低。这就是表面活性剂的发泡乳化湿润作用的基本原理。在油-水系统中,表面活性剂分子会被吸附在油-水两相的界面上,而将极性基团插入水中,非极性部分则进入油中,在界面定向排列。这在油-水相之间产生拉力,使油-水的界面张力降低。这一性质对表面活性剂的广泛应用有重要的影响。

2、形成“胶束”。

胶束可为球形,也可是层状结构,都尽可能地将疏水基藏于胶束内部而将亲水基外露。如以球形表示极性基,以柱形表示疏水的非极性基,则单分子膜和胶束。如溶液中有不溶于水的油类(不溶于水的有机液体的泛称),则可进入球形胶束中心和层状胶束的夹层内而溶解。这称为表面活性剂的增溶作用。
表面活性剂可起洗涤、乳化、发泡、湿润、浸透和分散等多种作用,且表面活性剂用量少(一般为百分之几到千分之几),操作方便、无毒无腐蚀,是较理想的化学用品因此在生产上和科学研究中都有重要的应用。在浓度相同时,表面活性剂中非极性成分大,其表面活性强。即在同系物中,碳原子数多的表面活性较大。但碳链太长时,则因在水中溶解度太低而无实用价值。

表面活性剂 结构

 

传统观念上认为,表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表(界)面张力的物质。随着对表面活性剂研究的深入,目前一般认为只要在较低浓度下能显著改变表(界)面性质或与此相关、由此派生的性质的物质,都可以划归表面活性剂范畴。

(图)表面活性剂

无论何种表面活性剂,其分子结构均由两部分构成。分子的一端为非极亲油的疏水基,有时也称为亲油基;分子的另一端为极性亲水的亲水基,有时也称为疏油基或形象地称为亲水头。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接,形成了一种不对称的、极性的结构,因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油,便又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”(amphiphilic structure),表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”。

根据所需要的性质和具体应用场合不同,有时要求表面活性剂具有不同的亲水亲油结构和相对密度。通过变换亲水基或亲油基种类、所占份额及在分子结构中的位置,可以达到所需亲水亲油平衡的目的。经过多年研究和生产,已派生出许多表面活性剂种类,每一种类又包含众多品种,给识别和挑选某个具体品种带来困难。因此,必须对成千上万种表面活性剂作一科学分类,才有利于进一步研究和生产新品种,并为筛选、应用表面活性剂提供便利。

表面活性剂 发展概况

 
(图)表面活性剂

肥皂是使用最早的表面活性剂之一,公元前7~前6世纪已经开始使用。肥皂遇到硬水会产生沉淀,且在酸性溶液中不稳定。红油(又名土耳其红油),是蓖麻油硫酸化产物(阴离子表面活性剂),1875年首次由德国巴登苯胺纯碱公司合成,是第一个合成的表面活性剂,用于纺织皮革工业。第一次世界大战时,德国研究成功从丙醇丁醇用发烟硫酸生产烷基萘磺酸盐,可以用来代替肥皂,因而节省了制皂用的动植物油脂。烷基萘磺酸盐的冼净能力虽然较差,但具有良好的润湿和渗透能力,且不受硬水或酸性溶液的影响,所以至今仍被广泛采用。1936年随着石油化工的发展,美国首先研究成功由苯和煤油制成烷基苯磺酸盐。后来,由于添加各种助剂和改进生产技术,以烷基苯磺酸盐为主要组分的合成洗涤剂,在应用性能和成本方面都比肥皂优越,开始大量在生产和生活中应用。此后,合成洗涤剂在洗涤用品总量中所占的比重逐年上升,1982年世界合成洗涤剂的产量已达28Mt,已经超过肥皂并继续增长。以合成洗涤剂为代表的表面活性剂的研究和生产发展迅速,现已成为重要的化工生产部门。表面活性剂的品种已有几千种。

(图)最早的表面活性剂——肥皂最早的表面活性剂——肥皂

中国的表面活性剂和合成洗涤剂工业起始于50年代,尽管起步较晚,但发展较快。1995年洗涤用品总量已达到310万吨,仅次于美国,排名世界第二位。其中合成洗涤剂的生产量从1980年的40万吨上升到1995年的230万吨,净增4.7倍,并以年平均增长率大于10%的速度增长。据中国权威部门预测,2000年洗涤用品总量将达到360万吨,其中合成洗涤剂将达到65.5万吨。其中产量超万吨的表面活性剂品种计有:直链烷基苯磺酸钠(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、月桂醇硫酸钠(K12或SDS)、壬基酚聚氧乙烯(10)(TX-10)、平平加O、二乙醇酰胺(6501)硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐(石油磺酸盐)、扩散剂NNO、扩散剂MF、烷基聚醚(PO-EO共聚物)、脂肪醇聚氧乙烯(3)醚(AEO-3)等。

表面活性剂 分类

 

表面活性剂的分类方法很多,根据疏水基结构进行分类,分直链、支链、芳香链、含氟长链等;根据亲水基进行分类,分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等;有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等,还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。但是众多分类方法都有其局限性,很难将表面活性剂合适定位,并在概念内涵上不发生重迭。因此,我们采用一种综合分类法,以表面活性剂的离子性划分,同时将一些属于某种离子类型、但具有其显著的化学结构特征,已发展成表面活性剂一个独立分支的品种单独列出。在基本不破坏分类系统性的前提下,使得分类更明确,并对表面活性剂各个近代发展分支有较为清晰的了解。按极性基团的解离性质分类如下:

1、阴离子表面活性剂 :硬脂酸,十二烷基苯磺酸钠
2、阳离子表面活性剂:季铵化物
3、两性离子表面活性剂:卵磷脂,氨基酸型,甜菜碱型
4、非离子表面活性剂: 脂肪酸甘油酯,脂肪酸山梨坦(司盘),聚山梨酯(吐温)

表面活性剂 应用

 

1.增溶:C>CMC ( HLB13~18)增溶体系为热力学平衡体系。CMC越低、缔合数越大,增溶量(MAC)就越高。温度影响胶束的形成,影响增溶质的溶解,影响表面活性剂的溶解度

2.乳化:

HLB:3-8 W /O型乳化剂:Tween;一价皂

HLB:8-16 O/W型乳化剂:Span;二价皂

3.润湿:(HLB:7-9)

4.助悬

5.起炮和消泡

6.消毒、杀菌

7.去污剂

表面活性剂 参考资料

 

[1] 世界精细化工网http://www.wrfcn.com/J026.htm
[2] 百度百科http://baike.baidu.com/view/277778.htm
[3] M.J.Rosen,Surfactants and Interfacial Phenomena, John Wiley & Sons,New York,1978.

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