表面活性剂的功能与应用

Chap6表面活性剂的功能与应用——洗涤和去污作用洗涤过程基洗涤剂的作用洗涤：从浸在某种介质（一般为水）中的待洗物体表面去除污垢的过程。在此过程中，借助于某些化学物质（洗涤剂）以减弱污物与固体的粘附作用，并施加以机械搅动，使污物与固体表面分离而悬浮于液体介质中，最后将污物洗净冲走。洗涤过程可表示为：物体表面·污垢＋洗涤剂＋介质物体表面·洗涤剂·介质＋污垢·洗涤剂·介质洗涤剂在洗涤过程中的作用：一是去除物品表面的污垢，另一种作用则是对污物的悬浮分散作用，使之不易在物品表面再沉积。洗涤过程是一个可逆过程，分散和悬浮于介质中的污垢也有可能从介质中重新沉积于固体表面。洗涤剂的作用：一是降低污垢与物体表面的结合力，具有使污垢脱离物体表面的能力，一般通过降低水的表面张力，改善水对洗涤物表面的润湿性，从而去除固体表面的污垢。表1：一些纤维材料的临界表面张力和水在其表面的接触角纤维材料临界表面张力γc/mN/m接触角聚四氟乙烯18108聚丙烯2990聚乙烯3194聚苯乙烯3391聚酯4381尼龙－6，64670聚丙烯腈4448纤维素（酯）440.32一般加入洗涤剂后，水的表面张力降至30mN/m，洗涤剂的水洗液在上述各物品的表面都能具有很好的润湿性，促使污垢脱离织物表面，发挥其洗涤作用。二是防止污垢再沉积作用：主要对油污的分散和悬浮作用，也就会使已经从固体表面脱离下来的污垢，很好的分散和悬浮在洗涤介质中，不再沉积在固体表面。如：阴离子表面活性剂的洗涤剂吸附在油水界面，使油水界面带负电，而相互阻止已乳化液体污垢的乳滴聚集。也能使进入水相的固体污垢表面带电。依靠污垢表面同种电荷产生的静电斥力提高固体污垢在水中的分散稳定性，防止其重新沉积固体表面。非离子表面活性剂的洗涤剂通过较长的水化聚氧乙烯链产生空间位阻，来阻止油污和固体污垢的聚集，提高在水中的稳定性。污垢的种类：1、液体污垢：动、植物油，矿物油2、固体污垢：尘埃，粘土，铁锈，炭黑3、特殊污垢：蛋白质，淀粉，人体分泌物污垢的粘附特性：一般污垢对表面的粘附主要通过范德华力，一般无氢键，如果形成氢键，污斑难以去除。水介质中，静电力一般要弱得多。不同性质的表面与不同性质的污垢有不同的粘附强度。以水为介质洗涤过程为例：非极性（如炭黑、石油等非极性油污）比极性污垢（如极性脂肪物质、粉末、粘土）不容易洗净。疏水表面（如聚丙烯、聚酯等塑料）上的非极性污垢比在亲水表面（如棉花、玻璃）上更不易去除。亲水表面的极性污垢比疏水表面上不易洗净。污垢的去除污垢与物品的附着是通过不同的相互作用来实现的，因而污垢去除机理也是不同的。如：机械作用、化学试剂作用（如漂白剂、还原剂及酶等作用）、表面活性剂作用应用表面活性剂去除的污垢一般是通过物理吸附（范德华力、偶极相互作用）或是静电作用而附着于基质（物品）上的。去除污垢一般涉及表面活性剂自介质中吸附于污垢及基质表面的效应。吸附改变了污垢/介质界面及基质/介质界面的界面张力和电势，可促进污垢的去除。据不同的去除污垢机理，污垢的去除可分为液体和固体污垢的去除。液体污垢的去除在固（S）油（O）气（G）三相界面上的油污的接触角近于0°（油污铺展）洗涤时，固、油、气→固、油、水由原来γSGγOG和γSO变为γSWγOW和γSO根据杨氏方程，水介质中存在如下公式：γSO－γSW＝γOWcosθw 洗涤剂作用γSW↓γOW↓一般情况洗涤剂不溶于油，故不能在固－油界面吸附γSO不变。因此根据γSO－γSW＝γOWcosθwcosθw＝(γSO－γSW)/γOW↑θw↓→油垢卷缩液体油垢的去除程度与油污在固体表面的接触角θo有关。θo为180°污垢自发脱离90°＜θo＜180°不能自发脱离，但可被水力冲走θo＜90°即使运动液冲击，仍然会有一小部分油残留于固体表面固体污垢的去除物质表面的固体污垢与扩大成一片的液体油污不同，往往仅在较少的一些点与表面接触粘附。发生粘附的主要作用是分子间的范德华力，其他力则弱得多。静电引力可以加速空气中灰尘在固体表面的粘附，但并不影响粘附强度。固体污垢与固体表面的粘附强度受各种因素的影响，随接触时间的延长和空气湿度的增大而增强。溶于水中的洗涤物品，其表面与固体污垢的粘附力比在空气中小得多。固体污垢得去除主要由于表面活性剂在固体污垢及待洗物体表面吸附，其过固－液界面，最终使固体污垢与固体表面发生脱离。γOW和γSW降低越低，油污被“卷缩”得越完全。表面活性剂在界面上得吸附状态阴离子表面活性剂：水介质中，一般固体表面带负电，由于电斥力不利于阴离子表面活性剂的吸附。一般固体表面的非极性强，通过固体分子与表面活性剂碳氢链间的范德华力克服电斥力，从而以疏水链吸附固体表面。阴离子极性头伸入水中的状态吸附于固－液界面上。非离子表面活性剂:在非极性纤维上的吸附，是通过表面活性剂的疏水性碳氢链与纤维分子碳氢间的范德华力作用实现的。对于极性纤维如天然纤维（棉），非离子表面活性剂在亲水性强的棉纤维上的吸附是通过聚氧乙烯链中的醚键氧原子与棉纤维表面的羟基形成氢键实现的。因此，纤维－水界面上表面活性剂以极性的亲水基吸附于棉纤维的表面，而疏水基朝向水中，使得棉纤维变得疏水性。因此，非离子表面活性剂不宜用于洗涤天然棉纤维。两性表面活性剂：吸附与离子型和非离子表面活性剂相似。对非极性的固体表面，通过范德华力以疏水基吸附于固体表面，以亲水的阴离子或铵阳离子极性头伸进水相，使非极性疏水表面变亲水表面，有利于污垢的去除和分散、悬浮，不易发生再沉积，提高了洗涤效率。阳离子表面活性剂不适宜用于作洗涤剂组分。表面活性剂的分子结构主要是非极性疏水链长度，链长越长，洗涤效果越好。如烷基硫酸钠，16、18烷基在较低用量时可获得良好的洗涤效果，其次14烷基硫酸钠，而十二烷基和十烷基洗涤效果差。但脂肪酸钠情况不一样，洗涤效果：低温18酸钠＜16酸钠高温18酸钠＞16酸钠高温时18酸钠的溶解度大。乳化和起泡作用液体油污经“卷缩”成油珠，从固体表面脱离进入洗涤液，有很多被洗物品表面相接触而粘附于物体表面的机会，通过表面活性剂的乳化作用，可以使油污乳化并稳定地分散悬浮于洗涤液中，有效地阻止了液体油污再沉积过程的发生。洗涤剂乳化性能越强，洗涤效果越好。日常生活中，人们认为一种洗涤液的好坏取决于起泡作用，洗涤过程中泡沫越多，洗涤效果越好。实际上，表面活性剂的起泡作用对洗涤效果有一定的效果，但二者之间并没有直接的相关性。如低泡洗涤，效果也很好。洗涤液形成泡沫，可以有利于玻璃等硬表面物的油滴和尘土带走。表面活性剂增溶作用一般认为液体污垢的去除是通过表面活性剂的增溶作用实现的，事实并非如此。当洗涤过程使用临界浓度（CMC）较大的阴离子表面活性剂作洗涤剂时，表面活性剂胶束的增溶作用不是影响液体油污去除的主要因素。原因：实际洗涤过程中，表面活性剂的添加