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表面活性劑基礎知識

簡介

表面活性劑(surfactant),是指加入少量能使其溶液體系的界面狀态發生明顯變化的物質,它由兩種截然不同的粒子形成的分子,一種粒子具有極強的親油性,另一種則具有極強的親水性。溶解于水中以後,表面活性劑能降低水的表面張力,并提高有機化合物的可溶性。

兩類結構與性能截然相反的分子碎片或基團分處于同一分子的兩端并以化學鍵相連接,形成了一種不對稱的、極性的結構,因而賦予了該類特殊分子既親水、又親油,但又不是整體親水或親油的特性。表面活性劑的這種特有結構通常稱之為“雙親結構”(amphiphilic structure),表面活性劑分子因而也常被稱作“雙親分子”。根據所需要的性質和具體應用場合不同,有時要求表面活性劑具有不同的親水親油結構和相對密度。通過變換親水基或親油基種類、所占份額及在分子結構中的位置,可以達到所需親水親油平衡的目的。

分類

表面活性劑的分類方法很多,根據疏水基結構進行分類,分直鍊、支鍊、芳香鍊、含氟長鍊等;根據親水基進行分類,親水基團常為極性基團,如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其鹽,羟基、酰胺基、醚鍵等也可作為極性親水基團。有些研究者根據其分子構成的離子性分成離子型、非離子型等,還有根據其水溶性、化學結構特征、原料來源等各種分類方法。但是衆多分類方法都有其局限性,很難将表面活性劑合适定位,并在概念内涵上不發生重疊。

人們一般都認為按照它的化學結構來分比較合适。即當表面活性劑溶解于水後,根據是否生成離子及其電性,分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑。

1、陰離子表面活性劑:硬脂酸,十二烷基苯磺酸鈉SDBS。系高級脂肪酸的鹽,通式:(RCOO-)nM。脂肪酸烴R一般為11-17個碳的長鍊,常見有硬脂酸、油酸、月桂酸。根據M代表的物質不同,又可分為堿金屬皂、堿土金屬皂和有機胺皂。它們均有良好的乳化性能和分散油的能力。但易被破壞,堿金屬皂還可被鈣、鎂鹽破壞,電解質亦可使之鹽析。

2、陽離子表面活性劑:季铵化物,例如十六烷基三甲基溴化铵CTAB。其分子結構主要部分是一個五價氮原子,所以也稱為季铵化合物。其特點是水溶性大,在酸性與堿性溶液中較穩定,具有良好的表面活性作用和殺菌作用。

3、兩性離子表面活性劑:卵磷脂,氨基酸型,甜菜堿型

4、非離子表面活性劑:脂肪酸甘油酯,脂肪酸山梨坦(司盤),聚山梨酯(吐溫)。非離子表面活性劑溶于水時不發生解離,其分子中的親油基團與離子型表面活性劑的親油基團大緻相同,其親水基團主要是由具有一定數量的含氧基團(如羟基和聚氧乙烯鍊)構成。由于非離子表面活性劑在溶液中不是以離子狀态存在,所以它的穩定性高,不易受強電解質存在的影響,也不易受酸、堿的影響,與其他類型表面活性劑能混合使用,相容性好,在各種溶劑中均有良好的溶解性,在固體表面上不發生強烈吸附。

HLB

HLB值(Hydrophile-Lipophile Balance Number)稱親水疏水平衡值,也稱水油度。1949年由 W.C.Griffin 率先提出HLB值論點,說明表面活性劑分子中的親水基團與親油基團的平衡關系。在HLB中H”Hydrophile” 表示親水性,L為”Lipophilic”表示親油性,B是”Balance”表示平衡的意思。

HLB=親水基的親水性/親油基的親油性

表面活性劑的親油或親水程度可以用HLB值的大小判别,HLB值越大代表親水性越強,HLB值越小代表親油性越強,1949 年 Griffin 提出了 HLB 值的概念,将非離子表面活性劑的HLB值的範圍定為 0~20,将疏水性最大的完全由飽和烷烴基組成的石蠟的HLB值定為0,将親水性最大的完全由親水性的氧乙烯基組成的聚氧乙烯的HLB值定為20,其他的表面活性劑的 HLB 值則介于0~20之間。HLB值越大,其親水性越強,HLB值越小,其親油性越強。親水親油轉折點HLB為10。HLB小于10為親油性,大于10為親水性。

1~3作消泡劑;3~6作W/O型乳化劑;7~9作潤濕劑;8~18作O/W型乳化劑;13~15作去污劑;15~18作增溶劑。

水溶解性法是估計HLB約值的常用方法,十分簡便快捷。加入到水中後的性質 HLB值範圍:不分散 1~4;分散不好 3~6;激烈震蕩後成乳狀分散體 6~8;穩定的乳白色分散體 8~10;半透明至透明分散體 10~13;透明溶液 >13。

膠束

表面活性劑溶于水中,當其濃度較低時呈單分子分散或被吸附在溶液的表面上而降低表面張力。當表面活性劑的濃度增加至溶液表面已經飽和而不能再吸附時,表面活性劑的分子即開始轉入溶液内部,由于表面活性劑分子的疏水部分與水的親和力較小,而疏水部分之間的吸引力較大,當達到一定濃度時,許多表面活性劑分子(一般50~150個)的疏水部分便相互吸引,締合在一起,形成締合體,這種締合體稱為膠團或膠束,膠團有各種形狀,如球形,層狀,棒狀。

臨界膠束濃度CMC

表面活性劑的表面活性源于其分子的兩親結構,親水基團使分子有進入水中的趨勢,而憎水基團則竭力阻止其在水中溶解而從水的内部向外遷移,有逃逸水相的傾向。這兩種傾向平衡的結果使表面活性劑在水表富集,親水基伸向水中,憎水基伸向空氣,其結果是水表面好像被一層非極性的碳氫鍊所覆蓋,從而導緻水的表面張力下降。

表面活性劑在界面富集吸附一般的單分子層,當表面吸附達到飽和時,表面活性劑分子不能在表面繼續富集,而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃離水環境,于是表面活性劑分子則在溶液内部自聚,即疏水基聚集在一起形成内核,親水基朝外與水接觸形成外殼,組成最簡單的膠團。而開始形成膠團時的表面活性劑的濃度稱之為臨界膠束濃度,簡稱CMC。

當溶液達到臨界膠束濃度時,溶液的表面張力降至最低值 ,此時再提高表面活性劑濃度,溶液表面張力不再降低而是大量形成膠團,此時溶液的表面張力就是該表面活性劑能達到的最小表面張力,用CMC表示。

低泡表面活性劑的種類與性能介紹

1. 表面活性劑泡沫形成原因
當表面活性劑和水混合時,親水性的一端會溶于水中,疏水基的一端則會脫離水,聚集在水面。在水面的表面活性劑,疏水基會離開水面,進入空氣中,親水基溶于水,并排在水面上。當攪動水時,會将空氣進入水中,此時疏水基會包住空氣,成為汽泡。一般而論,陰離子和陽離子表面活性劑泡沫最高,非離子表面活性劑泡沫相對低些。

在大多數的工藝裡面,泡沫帶來的都是負面影響,就是說我們追求的低泡和無泡的表面活性劑。但在某些領域,卻恰恰相反,如日用化學品,沐浴露洗面奶等,追求的就是泡沫多,泡沫細膩;再如造紙脫墨領域的浮選脫墨,也需要表面活性劑有良好的發泡性能。

2. 具有清洗功能的低泡表面活性劑
在讨論低泡表面活性劑時,必須先說明使用的條件、工藝等,表面活性劑的泡沫除了與自身結構有關,還與水的硬度、使用溫度、酸堿pH值、壓力等有諸多聯系。

2.1 肥皂
肥皂在硬水的使用條件下,可以稱之為低泡沫的表面活性劑。有些時候可以用肥皂來檢驗和區分軟水和硬水,泡沫多的為軟水,泡沫少的為硬水。主要是因為在硬水裡面,肥皂會結合鈣鎂離子形成不溶于水的鈣皂或鎂皂,在泡沫的表面容易形成缺口,導緻泡沫破裂。

2.2 脂肪醇的EO/PO嵌段的聚氧乙烯醚
衆所周知,脂肪醇與EO(環氧乙烷)縮合加成,即AEO系列,引入親水性的EO基團,會獲得極佳的潤濕、乳化、淨洗以及高泡沫的性能。而PO環氧丙烷則是憎水基團,引入環氧丙烷可以有效的降低所形成的泡沫表面的表面張力,導緻泡沫破裂并消失。但是引入PO不可避免的降低EO的含量,從而降低表面活性劑的乳化、分散等去污性能。所以對于EOPO嵌段聚醚,其乳化、分散等淨洗功能與低泡必定是相互矛盾的。泡沫越低,其它性能就會越差。

2.3 脂肪酸甲酯乙氧基化物及其衍生物
脂肪酸甲酯,特别是18碳的硬脂酸甲酯,本身也是一種消泡劑,所以18碳硬脂酸甲酯為原料的表面活性劑也相應的會具有低泡沫的性能,并且這種低泡的性能不像EOPO嵌段聚醚是以損失其淨洗性能為代價的,因此是頗有實際應用價值的低泡沫淨洗劑。

2.4 低碳鍊的脂肪醇醚及其衍生物
低碳鍊的脂肪醇具有一定的消泡功能,因此,以低碳鍊脂肪醇為原料的表面活性劑,也相應的具有低泡沫的特性,最常見的為異辛醇聚氧乙烯醚、異辛醇的磷酸酯和異辛醇醚的磷酸酯都具有低泡沫的特性。但是低碳鍊的脂肪醇衍生物往往隻具有滲透性,其它的性能則較差,從而限制了其應用範圍。

參考資料
1. 百度百科,“表面活性劑”詞條,http://baike.baidu.com/view/277778.htm
2. Wikipedia,“surfactant”, http://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant
3. 小木蟲論壇,“低泡表面活性劑的種類與性能介紹”,作者: beida1boshi http://emuch.net/html/201203/3959920.html

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