Chap1表面活性剂的简介

1、Chapter 1.表面活性剂的简介1.1表面活性剂及其历史1.表面活性剂surfactant, 为surface active agent 的缩写，暗示表面活性剂具有两种特性：a.活跃于表（界）面 b.改变表（界）面张力表面活性剂是活跃于表面和界面，具有较高的降低表界面张力的能力和效率；在一定浓度以上的溶液中能形成有序组合体，从而具有一系列如（润湿、分散、乳化和洗涤）等应用功能的物质。表面活性剂的这些功能和特性不仅在生产和生活中有重要应用，而且与生命本身活动密切相关，成为研究生命现象的奥秘和发展仿生技术及其重要的体系，因而受到广泛的重视。例如：冰淇淋、洗涤剂等。2.表面活性剂的发展历史公元前

2、2500年1850年在美索不达米亚的Sapo山上进行祭祀，羊油和草木灰制造肥皂羊油三羧酸酯简称三甘酯， 经碱水解羧酸盐、单甘酯、二甘酯和甘油19世纪初期 比利时的雷希勒，报告他在实验室中制作出一种类似肥皂的物质。19世纪中叶 一方面肥皂开始实现工业化大生产，另一方面，也出现了化学合成的表面活性剂1831年：福海梅最先用橄榄油和苦杏油制作出土耳其红油该,产品深度磺化后，耐酸耐硬水1875年：土耳其红油被用于工业生产中1900年左右：有一种新的土耳其红油流入欧洲市场，被广泛使用1916年：德国禁止用食用油制造肥皂1917年：德国知名的染料，苏打公司BASF厂的居恩持尔博士，完全不用油脂而是用丁基奈

3、(从煤焦油中提取，)制造出异丙基萘磺酸钠，商品名称为Nekal-A1925年：Nekal-A在美国和德国投入生产1928年：油酸丁酯硫酸酯钠，商品名阿维罗1930年：发展出高级醇洗涤剂，比如月桂醇硫酸钠，商品名Gardinol，功能多。还有Igepon-A/T,Vel(脂肪酸单甘油酯)1933年：IG公司完成Aerosol和Decersol等琥珀酸衍生物二战结束：美国阿特拉斯制粉公司发明：span和tween，成为非离子表面活性剂的先驱中国的烷基苯磺酸盐工厂于1958年在上海建立；1960年，在大连、上海等地建立阳离子活性剂工厂；1978年，开始生产甜菜碱型两性表面活性剂BS-12。科学研究动

4、态：已由传统的界面化学进入到分子界面化学。例如，表面活性剂溶液的相行为、利用激光及中子散射研究微乳、胶束及液晶的微结构、选择性增溶、表面解离、表面改性、胶束催化、单分子膜、LB膜及仿生表面活性剂、表面活性剂结构与性能的关系、生物表面活性剂、混合表面活性剂体系、表面活性剂拓扑学以及功能性表面活性剂的分子设计等等。纵观表面活性剂的发展，其实也是洗涤剂的发展，近半个世纪中，对洗涤剂的要求：1.3表面张力与表面自由能1.表面和界面表面：物体与空气/饱和蒸汽等相接触的表面界面：两相物质间的接触层，即物质相与相之间的分界面称为界面。包括气液、气固、液液、固固和固液五种。其中包含气相的界面叫表面，包括液体表

5、面、固体表面。2.表面张力的产生例如，水龙头滴水，水滴趋向球形（忽视重力作用）a. 体相内部每个分子所受其周围分子作用力对称。b. 气液界面上液体分子所受液相分子的引力比气相分子对它的引力强，结果产生了表面分子受到指向液体内部并垂直于界面的引力。表面的分子有向液体内部迁移的趋势，产生液体表面有自动收缩现象。这种引起液体表面自动收缩的力就称之为表面张力。（如上图）表面自由能：为使液体增加单位表面所需做的可逆功，或恒温恒压条件下增加单位表面积时体系自由能的增值，或单位表面上的分子比体系内部同量分子所具有的自由能过剩值表面过剩自由能。表面自由能（surface free energy）常用单位为mJ

6、/m23.表面张力的物理量mN/mdyn/cm力学方法（从力的角度推测）液膜会收缩，要使液膜保持，必须施加力F,忽视摩擦力，F=U.2lU比例系数2因为液膜有两个表面U即为表面张力（surface tension）其物理意义是：垂直通过液体表面上的任一单位长度与液面相切的收缩的表面张力，单位常用mN/m或dyn/cmmj/m2热力学方法（从能量角度）在上面的体系中若增加一无限小的力于F,使其下移dx，则对体系所做的可逆功dW=F.dx= U.2l.dx=U.dA式中dA2ldx，是体系表面积的改变量，此可逆功也就是体系自由能的增加量（dG）T,P因此，（dG）T,PU.dA由此可得，UdW/d

7、A=（dG/dA）T,P表面自由能与表面张力 对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有着密切的联系一、 两者量纲相同3. 表面张力和表面自由能分别是用力学方法和热力学方法研究液体表面现象时采用的物理量，具有不同的物理意义，却有相同的量纲1.41.表面活性剂的分子结构特点共同特点：分子由两部分构成亲油基 Lipophilic ：一般是由长链烃基构成，以碳氢基团为主亲水基 Hydrophilic ：一般为带电的离子基团和不带电的极性基团一般溶剂为水，则表面活性剂由两部分构成疏水基也叫亲油基2.表面活性剂的分类（一）按亲水基分类表面活性剂(

8、二)按疏水基分类1.炭氢表面活性剂疏水的碳氢基团2.氟表面活性剂疏水基为全氟化或部分氟化的碳氢链（碳氢表面活性剂疏水基中氢全部或部分被氟原子取代）3.硅表面活性剂疏水基为由亚甲基化的SiOSiSiCSi或SiSi主干，一般是二甲基硅烷的聚合物4.聚氧丙稀由环氧丙烷齐聚物得到，主要用来与环氧乙烷一起制备聚合型表面活性剂（三）其它分类1.按表面活性剂的应用功能分类：乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润湿剂、分散剂、铺展剂、渗透剂、加溶剂（增溶剂）2.按照表面活性剂的溶解特性分类：水溶性表面活性剂合油溶性表面活性剂3.按照分子量大小分类：低分子量表面活性剂（一般表面活性剂）高分子量表面活性剂 如：PVA、聚丙

9、烯酸、聚丙稀酰胺、聚乙烯吡啶为主链的聚合物、聚乙烯吡啶酮、顺丁烯二酸共聚物、PEO、半酯4.此外还有：普通表面活性剂、特种表面活性剂、合成表面活性剂、天然表面活性剂、生物表面活性剂等不同分类。1.5表面活性剂原理表面吸附和溶液内部自聚表面活性剂的表面活性源于表面活性剂分子的两亲性结构1.表面吸附“相似相亲规则”两种趋向平衡的结果，表面活性剂在表面富集。亲水基伸向水中，疏水基伸向空气，这种富集又称为吸附。吸附结果是水表面似被一层非极性的碳氢链覆盖，从而导致水的表面张力下降。2.溶液内部自聚当表面活性剂吸附达到平衡时，表面活性剂不能继续在表面富集，而疏水基的疏水作用仍竭力促使其逃逸水环境表面活性剂

10、在溶液内部自聚。疏水基向里靠在一起形成内核，远离水环境。而亲水性基团朝外与水接触。表面活性剂这种自聚体称为分子有序组合体，最简单的形成“胶团”。形成该胶团的作用称为胶团作用，形成胶团的浓度称为临界胶团浓度（critical micelle concentration CMC）随着表面活性剂浓度的增加，表面吸附力逐渐增大，表面张力逐渐下降，当浓度达到CMC以上，表面张力基本不再变化，rLgc出现一平台。表面活性剂表面张力浓度对数曲线rLgc曲线浓度（c）=8.1×10-3mol/L1.6表面活性的表征1.通常用加入表面活性剂后溶剂表面张力的降低及其形成的胶团的能力（胶团化能力）两个性质

11、来表征。2.表面活性剂的胶团能力用其临界胶团浓度（CMC）来表示，CMC越小，表面活性剂越容易在溶液中自聚成为胶团。3.表面张力降低的量度可以分为两种：一是降低溶剂表面张力至一定值时，所需表面活性剂的浓度。二是表面张力的降低所能达到的最大程度（即溶液表面张力所能达到的最低值，而不管表面活性剂浓度如何）前一种量度称为表面活性剂表（界）面张力降低的效本，后一种量度则称为表面活性剂表（界）面张力降低的能力。用CMC倒数值代表降低表面张力的效果，也有以降低20mN表（界）面张力所需表面活性剂在溶液中的浓度C20或PC20(PC20LgC20称为效本因子)作为表面张力降低的效本量度。一般以CMC时表面张力Ucmc或CMC时的表面张力降低值（表面压）作为“能力”量度。1.7表面活性剂的基本功能1.表面活性剂最基本的功能有两个：第一，在表（界）面上吸附，形成吸附膜（一般为单分子膜）第二，在气液内部自聚，形成多种类型的分子有序组合体。2.基本功能衍生应用功能：表面吸附降低表（界）面张力，改变了体系的表（界）面化学性质。起泡、消泡、乳化、破乳、分散、絮凝润湿、铺展、渗透、润滑、抗静电以及杀菌