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表面活性剂 表面与界面化学 表面活性剂 主要内容 三 表面活性剂的应用 一 表面活性剂 surfactant 简介 概述 表面活性剂作为精细化工的主要分支 是一类重要化工产品 用量虽小却必不可少 素有 工业味精 之称 近年来 随着世界经济的发展以及科学技术领域的开拓 表面活性剂的发展更为迅猛 我国已进入世界表面活性剂强国之林 居世界第二位 其应用领域从日用化学工业发展到石油 纺织 造纸 农业 食品 皮革 医药 建筑 环境以及新材料等方面 表面活性剂 润湿作用 乳化作用 分散作用 起泡与消泡 增溶作用 洗涤作用 肥皂 洗涤剂 化妆品 食品加工 纺织工业 金属加工 石油 建筑 功能 应用 1 定义 能大幅度降低体系表面张力的物质叫表面活性剂 表面张力 作用于液体表面单位长度上使表面收缩的力 2 基本性质表面活性剂的结构 表面活性剂具有独特的双亲结构 即分子是由易溶于水的亲水基和易溶于油的亲油基组成 亲油基一般由长链烃基构成 亲水基种类繁多 如羧酸盐 硫酸盐 磺酸盐 磷酸盐 季铵盐 1 1表面活性剂的定义 亲油基 亲水基 1 表面定向 表面活性剂溶液较稀时 其分子在溶液表面形成定向排列 2 形成胶束 随表面活性剂浓度逐渐提高 溶液表面形成了单分子膜 溶液中开始形成胶束 3 临界胶束浓度 指表面活性剂形成胶束的最低浓度 4 多功能性 具有发泡 消泡 乳化 润湿 去污等功能 表面活性剂的基本性质 二 表面活性剂分子结构及其分类 表面活性剂的种类繁多 但其性质之差异主要取决于亲水和亲油基团的性质特别是亲水基团的性质 因此通常采用按化学结构的分类方法将其分为离子型和非离子型两大类 离子型中又可分为阳离子型 阴离子型和两性型表面活性剂 又可按照来源分为天然表面活性剂和合成表面活性剂 2 1阴离子表面活性剂 1 高级脂肪酸盐 通式 rcoo nmn 分类 金属皂 钾 钠和有机胺皂 三乙醇胺皂 如 性质 具有良好的乳化能力 但易被酸及硬水破坏 电解质使之盐析 2 硫酸化物 通式 r o so3 m 分类 硫酸化油 如硫酸化蓖麻油 高级脂肪醇硫酸酯 如十二烷基硫酸钠 sds 又称月桂醇硫酸钠 sls 性质 在碱性介质中稳定 但在酸性甚至中性介质中由于自身催化酸化作用或高温时 容易发生水解 3 磺酸化物 通式 脂肪族磺酸化物r so3 m 和烷基芳基磺酸化物rc6h5so3 m 分类 脂肪族磺酸化物 烷基芳基磺酸化物 胆酸盐 如牛磺胆酸钠 性质 水溶性及耐酸 耐钙 镁盐性比硫酸化物差 但不易水解 4 磷酸酯盐型 分类 磷表面活性剂主要有高级醇磷酸酯盐和聚氧乙烯醚磷酸酯盐 5 烷基酰胺甜菜碱 以氨基酸为原料合成的阴离子表面活性剂 通式为rconhrcoona 产生泡沫多且稳定 刺激性小 应用 可用于婴儿洗发香波 口腔清洁剂等产品 2 2阳离子型表面活性剂 工业上应用广泛的阳离子表面活性剂是含n阳离子型 主要是胺盐和季铵盐两种 1 胺盐型阳离子表面活性剂伯 仲 叔胺盐总称为胺盐 其憎水基的c数在12 18之间 与酸中和成为胺盐易溶于水 可离解出带有亲水基的阳离子 呈现表面活性 伯胺盐r nh2hcl仲胺盐r nh ch3 hcl叔胺盐r n ch3 2hcl 2 季铵盐型季铵盐与胺盐的区别在于它是强碱的盐 季不受介质ph的影响 始终保持着带有正电荷的表面活性部分并解离成带正电荷的铵根离子 应用 阳离子表面活性剂不具备去污能力 可用做杀菌剂和抗静电剂 2 3两性离子型表面活性剂 性质 这类表面活性剂的分子结构中同时具有正 负电荷基团 在不同ph值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质 当溶液的ph值达到某值时 两性离子的浓度最大 这时溶液中阴离子和阳离子的浓度相等 阴离子和阳离子浓度相等时对应溶液的ph值叫等电点 氨基酸型两性离子表面活性剂氨基酸是同时具有羧基 氨基的两性化合物 当氨基上的氢原子被长链烷基取代后就成为有表面活性的氨基酸型表面活性剂 rn h2ch2ch2coo 性质 耐酸碱性较差 必须在偏离等电点ph的水溶液中使用 甜菜碱型甜菜碱中甲基被长链烷基取代后的产物 性质 在酸性 中性或碱性介质中均能溶解于水 即使在等电点也不致产生沉淀 因而可以在任何ph的水溶液中使用 咪唑啉型具有极好的生物降解性 能迅速完全降解 刺激性极小 发泡性很好 多用于化妆品中 磷酸酯型目前应用较广的磷酸酯型两性表面活性剂是卵磷酯 这类表面活性剂在自然界所有生命有机体中都可以发现 其中来源最广的是大豆和蛋黄中 通式如下 2 4非离子表面活性剂 性质 在水溶液中不是解离状态故称之为非离子表面活性剂 结构组成 1 亲水基团 在水中不电离的羟基或聚氧乙烯基 2 亲油基团 含活泼氢原子的亲油基 如 脂肪醇 烷基酚 脂肪酸等 性质 毒性小 溶血作用较小 不易受电解质 ph值的影响 能与大多数药物配伍 广泛应用于外用 口服制剂和注射剂 1 多元醇型 由含有多个羟基的多元醇 烷基醇胺或糖类与高级脂肪酸生成的酯类或酰胺类化合物 2 聚氧乙烯型 用含有活泼氢原子的亲油基原料和环氧乙烷进行加成反应而制成 如 聚氧乙烯脂肪醇醚r o ch2och2 nh 3 聚氧乙烯 聚氧丙烯共聚物1 通式 ho c2h4o a c3h6o b c2h4o ch2 性质 具有乳化 润湿 分散 起泡和消泡等多种优良性能 但增溶能力较弱 能耐受热压灭菌和低温冰冻 静脉乳剂的乳化剂 2 5高分子表面活性剂 1 嵌段型表面活性剂多嵌段疏水性链段分布于大分子主链上 适当的疏水亲水序列长度将有效的防止疏水链段自身缔合 形成单分子胶束 或分子间缔合 多分子缔合 2 梳形表面活性剂梳形表面活性剂具有制备容易 品种多样等优点 如两性及两亲单体均聚或者共聚得到表面活性剂 根据疏水亲水基团位置的不同 呈现出不同的支链化学结构 2 6特殊表面活性剂 1 碳氟表面活性 碳氢链中的氢原子部分或者全部替换成为氟原子 优点 高表面活性 高耐热稳定性及高化学稳定性 它的含氟烃基既憎水又憎油 2 含硅表面活性剂一般是以聚硅氧烷为疏水基 聚醚链 羧基和磷酸基等极性基团为亲水基 优点 1 更高的表面活性和易铺展性 2 优良的润湿作用 3 其生物降解性好 对环境污染小 2 7新型表面活性剂 双子 gemini 表面活性剂由2个传统的表面活性剂分子通过特殊的连接基团以化学键方式连接而成 分子中含有2个亲水基团及2个亲油链 从而抑制了表面活性剂有序聚集过程中的头基分离 极大地提高了表面活性 优点 成胶束能力强 cmc低 吸附在界面的能力超过形成胶束的能力 降低表面张力的效率高 krafft点低 水溶性好 且有优异的水溶助长性和增溶性 有助于配方设计 与其他表面活性剂的配伍性好 三 表面活性剂的应用 表面活性剂的一些应用 乳化作用润湿和助悬作用增溶作用起泡和消泡作用去污作用消毒和杀菌作用 3 1乳化作用 乳化剂的作用 降低表面张力 在分散相液滴的周围形成坚固的界面膜 降低表面张力 降低油 水两相表面张力和表面制备乳剂时不必消耗更大的能量 乳剂保持一定的分散状态和稳定性 2 形成牢固的乳化膜乳化剂有规律地排列在液滴表面形成乳化膜 可阻止液滴合并 应用 乳状液在工农业生产及人们的日常生活具有十分广泛的应用 如农药配剂 原油开采 纺织制革 食品 医药及日常用品等方面 3 2润湿和助悬作用 表面活性剂可以降低液体表面张力 改变接触角大小 从而达到所需的目的 润湿作用主要表现在两方面 1 在固体表面发生定向吸附 2 提高液体的润湿能力 应用 1 矿物的泡沫浮选 2 金属的防锈与缓蚀 3 织物的防水防油处理 4 在农药中的应用 3 3增溶作用 增溶原理 是由于胶团的特殊结构提供了从极性到非极性环境 而物质的溶解性要求溶剂具有适宜的极性即相似相溶原理 因此 各类极性和非极性有机溶质都可以在胶团中找到其存身之处 增溶方式 1 非极性被增溶物增溶于胶束内部 2 长链两亲有机物多增容于胶束内核形成栅栏结构 1 2 3 含极性基的小分子芳香化合物等增溶于非离子型表面活性剂胶束表面层 4 小极性分子可被吸附于胶团表面 3 4 3 4起泡作用 泡沫是气体分散在液体中所形成的热力学不稳定的体系 泡 就是由液体薄膜包围着气体 有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜 包围着空气而形成泡沫 用于浮游选矿 泡沫灭火和洗涤去污等 这种活性剂称为起泡剂 3 5去污作用 加入表面活性剂后 憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上 使污垢逐步脱离表面 3 6表面活性剂的其它应用 1 分散作用能使不溶性固体以极小的微 0 1 m至数十微米 分散悬浮于水中的作用 2 杀菌作用阳离子型表面活性剂具有杀菌作用 杀菌机理 分子中的亲油基能紧密地吸附于细菌表面 改变细胞壁的通透性 改变细菌细胞的渗透压 进而破坏