表面活性剂基础知识解读
表面活性剂基础知识解读1、表面张力分子在液体表面相对高速运动，分子之间存在内聚力，表面分子向本体进行收缩，我们把液体表面任意单位长度的收缩力称为表面张力，单位为N•m-1。2、表面活性和表面活性剂将能降低溶剂表面张力的性质称为表面活性，而具有表面活性的物质称为表面活性物质。把能在水溶液中分子发生缔合且形成胶束等缔合体，并具有较高的表面活性，同时还具有润湿﹑乳化﹑起泡﹑洗涤等作用的表面活性物质称为表面活性剂。3、表面活性剂的分子结构特点表面活性剂是一种具有特殊结构和性质的有机化合物，它们能明显地改变两相间的界面张力或液体（一般为水）的表面张力，具有润湿﹑起泡﹑乳化﹑洗涤等性能。就结构而言，表面活性剂都有一个共同的特点，即其分子中含有两种不同性质的基团，一端是长链非极性基团，能溶于油而不溶于水，亦即所谓的疏水基团或憎水基，这种憎水基一般都是长链的碳氢化合物，有时也为有机氟﹑有机硅﹑有机磷﹑有机锡链等。另一端则是水溶性的基团，即亲水基团或亲水基。亲水基团必须有足够的亲水性，以保证整个表面活性剂能溶于水，并有必要的溶解度。由于表面活性剂含有亲水基和疏水基，因而它们至少能溶于液相中的某一相。表面活性剂的这种既亲水又亲油的性质称为两亲性。4、表面活性剂的类型表面活性剂是一种既有疏水基团又有亲水基团的两亲性分子。表面活性剂的疏水基团一般是由长链的碳氢构成，如直链烷基C8～C20，支链烷基C8～C20，烷基苯基（烷基碳原子数为8～16）等。疏水基团的差别主要是在碳氢链的结构变化上，差别较小，而亲水基团的种类则较多，所以表面活性剂的性质除与疏水基团的大小﹑形状有关外，主要还与亲水基团有关。亲水基团的结构变化较疏水基团大，因而表面活性剂的分类一般以亲水基团的结构为依据。这种分类是以亲水基团是否是离子型为主，将其分为阴离子型﹑阳离子型﹑非离子型﹑两性离子型和其他特殊类型的表面活性剂。5、表面活性剂水溶液的特性① 表面活性剂在界面上的吸附表面活性剂分子中具有亲油基和亲水基，为两亲分子。水是强极性液体，当表面活性剂溶于水中时，根据极性相似相引﹑极性相异相斥原理，其亲水基与水相引而溶于水，其亲油基与水相斥而离开水，结果表面活性剂分子（或离子）吸附在两相界面上，使两相间的界面张力降低。表面活性剂分子（或离子）在界面上吸附越多，界面张力降低越大。② 吸附膜的一些性质吸附膜的表面压力： 表面活性剂在气液界面吸附形成吸附膜，如在界面上放置一无摩擦可移动浮片，以浮片沿溶液面推动吸附质膜，膜对浮片产生一压力，此压力称为表面压力。表面黏度：与表面压力一样，表面黏度是由不溶性分子膜表现出的一种性质。以细金属丝悬吊一白金环，令其平面接触水槽的水表面，旋转白金环，白金环受水的黏度阻碍，振幅逐渐衰减，据此可测定表面黏度，方法是：先在纯水表面进行实验，测出振幅衰减，然后测定形成表面膜后的衰减，从两者的差值求出表面膜的黏度。表面黏度与表面膜的牢固度密切有关，由于吸附膜有表面压力和黏度，它必定具有弹性。吸附膜的表面压力越大，黏度越高，其弹性模量就越大。表面吸附膜的弹性模量在稳泡过程中有重要意义。③ 胶束的形成表面活性剂的稀溶液服从理想溶液所遵循的规律。表面活性剂在溶液表面的吸附量随溶液浓度增高而增多，当浓度达到或超过某值后，吸附量不再增加，这些过多的表面活性剂分子在溶液内是杂乱无章的，抑或以某种有规律的方式存在。实践和理论均表明，它们在溶液内形成缔合体，这种缔合体称为胶束。临界胶束浓度： 表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。④亲水亲油值HLB是hydrophile lipophile balance的缩写，表示了表面活性剂的亲水基团和亲油基团具有的亲水亲油平衡值，即表面活性剂HLB值。HLB值大，表示分子的亲水性强，亲油性弱；反之亲油性强，亲水性弱。HLB值是个相对值，故在制定HLB值时，作为标准，规定无亲水性能的石蜡的HLB值为0，而水溶性较强的十二烷基硫酸钠的HLB值为40。因此表面活性剂的HLB值一般在1～40范围以内。通常来说，HLB值小于10的乳化剂为亲油性的，而大于10的乳化剂则是亲水性的。因此，由亲油性到亲水性的转折点约为10。 适合于作油包水型乳化剂的表面活性剂的HLB值为3.5～6，而水包油型乳化剂的HLB值为8～18。7、乳化作用和增溶作用两种互不溶的液体，一种以微粒（液滴或液晶）分散于另一种中形成的体系称为乳状液。形成乳状液时由于两液体的界面积增大，所以这种体系在热力学上是不稳定的，为使乳状液稳定需要加入第三组分—乳化剂以降低体系的界面能。乳化剂属于表面活性剂，其主要功能是起乳作用。乳状液中以液滴存在的那一相称为分散相（或内相﹑不连续相），连成一片的另一相叫做分散介质（或外相﹑连续相）。 ①乳化剂和乳状液常见的乳状液，一相是水或水溶液，另一相是与水不相混溶的有机物，如油脂﹑蜡等。水和油形成的乳状液，根据其分散情形可分为两种：油分散在水中形成水包油型乳状液，以O/W（油/水）表示：水分散油中形成油包水型乳状液，以W/O（水/油）表示。此外还可能形成复杂的水包油包水W/O/W型和油包水包油O/W/O型的多元乳状液。乳化剂是通过降低界面张力和形成单分子界面膜使乳状液稳定的。在乳化作用中对乳化剂的要求：a：乳化剂必须能吸附或富集在两相的界面上，使界面张力降低；b：乳化剂必须赋予粒子以电荷，使粒子间产生静电排斥，或在粒子周围形成一层稳定的﹑黏度特别高的保护膜。所以，用作乳化剂的物质必须具有两亲基团才能起乳化作用，表面活性剂能满足这种要求。 ②乳化液的制备方法和影响乳状液稳定性的因素制备乳状液的方法有两种：一种是采用机械法使液体以微小的粒子分散于另一种液体中，工业上多采用这种方法制备乳状液；另一种是将液体以分子状态溶于另一液体中，然后使其适当地聚集而形成乳状液。乳状液的稳定性是指反抗粒子聚集而导致相分离的能力。乳状液在热力学上是不稳定的体系，有较大的自由能。因此所谓乳状液的稳定性实际上是指体系达到平衡状态所需要的时间，即体系中一种液体发生分离所需要的时间。当界面膜中有脂肪醇﹑脂肪酸和脂肪胺等极性有机物分子时，膜强度显著增高。这是因为，在界面吸附层中乳化剂分子与醇﹑酸和胺等极性分子发生作用形成“复合物”，使界面膜强度增高的缘故。由两种以上表面活性剂组成的乳化剂称为混合乳化剂。混合乳化剂吸附在水/油界面上，分子间发生作用可形成络合物。由于分子间强烈作用，界面张力显著降低，乳化剂在界面上吸附量显著增多，形成的界面膜密度增大，强度增高。液珠的电荷对乳状液的稳定性有明显的影响。稳定的乳状液，其液珠一般都带有电荷。当使用离子型乳化剂时，吸附在界面上的乳化剂离子其亲油基插入油相，亲水基处于水相，从而使液珠带电。由于乳状液的液珠带同种电荷，它们之间相互排斥，不易聚结，使稳定性增高。可见，液珠上吸附的乳化剂离子越多，其带电量越大，防止液珠聚结能力也越大，乳状液体系就越稳定。乳状液分散介质的黏度对乳状液的稳定性有一定影响。一般，分散介质的黏度越大，乳状液的稳定性越高。这是因为分散介质的黏度大，对液珠的布朗运动阻碍作用强，减缓了液珠之间碰撞，使体系保持稳定。通常能溶于乳状液的高分子物质均能增高体系的黏度，使乳状液的稳定性增高。此外高分子还能形成坚固的界面膜，使乳状液体系更加稳定。在某些情况下加入固体粉未也能使乳状液趋于稳定。固体粉未处于水﹑油中或界面上，取决于油﹑水对固体粉未的润湿能力，若固体粉未完全为水润湿，又能被油润湿，才会滞留于水油界面上。固体粉未使乳状液稳定的原因在于，聚集于界面的粉未增强了界面膜，这与界面吸附乳化剂分子相似，故固体粉未料子在界面上排列得越紧密，乳状液越稳定。表面活性剂在水溶液中形成胶束后具有能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大的能力，且此时溶液呈透明状，胶束的这种作用称为增溶。能产生增溶作用的表面活性剂叫做增溶剂，被增溶的有机物称为被增溶物。8、泡沫泡沫在洗涤过程中起着重要的作用。泡沫是指气体分散在液体或固体中的分散体系，气体为分散相，液体或固体为分散介质，前者称为液体泡沫，而后者称为固体泡沫，如泡沫塑料，泡沫玻璃，泡沫水泥等。(1) 泡沫的形成我们这里所说的泡沫，是指被液体薄膜隔开的气泡的聚集物。这种泡沫由于分散相（气体）和分散介质（液体）的密度相差较大，加之液体的黏度低，因此气泡总是能很快地升到液面。形成泡沫的过程是将大量气体带入液体，液体中的气泡又很快返回到液面，形成由少量液气隔开的气泡聚集体泡沫在形态上具有两个显著的特点：其一是作为分散相的气泡常常是呈多面体形状，这是因为在气泡的相交处，有一种液膜变薄的趋势使气泡成为多面体，当液膜变薄到一定程度，则导致气泡破裂；其二是，纯净液不能形成稳定的泡沫，能形成泡沫的液体，至少是两个以上的组分。表面活性剂的水溶液是典型的易产生泡沫的体系，其生成泡沫的能力与其他性能也有一定的关系。起泡力好的表面活性剂称为起泡剂。起泡剂尽管具有良好的泡沫能力，但形成的泡沫不一定能维持较长的时间，即其稳定性不一定良好。为了保持泡沫的稳定，常在起泡剂中加入能增加泡沫稳定性的物质，这种物质称为稳泡剂，常用的稳泡剂有月桂酰二乙醇胺和十二烷基二甲基胺的氧化物。(2) 泡沫的稳定性泡沫是一种热力学不稳定体系，最后的趋势是破泡之后体系内液体的总表面积减小，自由能降低。消泡过程就是隔开气体的液膜由厚变薄，直至破裂的过程。因此，泡沫的稳定程度主要是由排液快慢和液膜的强度决定的。其影响因素还有以下几种。①表面张力从能量观点考虑，低表面张力对于泡沫的形成比较有利，但不能保证泡沫稳定。表面张力低，压差小，排液速度变慢，液膜变薄较慢，有利于泡沫的稳定。②表面黏度决定泡沫稳定性的关键因素在于液膜强度，而液膜强度主要决定于表面吸附膜的坚固性，以表面黏度为其量度。实验证明，表面黏度较大的溶液所生成的泡沫寿命较长。这是因为表面吸附分子间的相互作用导致膜强度增大，从而提高泡沫的寿命。③溶液黏度当液体本身的黏度增大时，液膜中的液体不易排出，液膜厚度变薄的速度较慢，延缓了液膜破裂的时间，增加了泡沫的稳定性。④表面张力的“修复”作用表面活性剂吸附于表面的液膜，有反抗液膜表面扩张或收缩的能力，我们将这一能力称为修复作用。这是因为有表面活性剂在表面上吸附的液膜，扩张其表面积将降低表面吸附分子的浓度，增大表面张力。进一步扩大表面将需要做更大的功。反之表面积收缩将增加表面吸附分子的浓度，即减小表面张力，不利于进一步的收缩。⑤气体通过液膜的扩散由于毛细压力的存在，泡沫中小泡的压力要比大泡压力高，会造成小泡中的气体透过液膜扩散到低压的大泡中，造成小泡变小，大泡变大，最终泡沫破裂的现象。如果加入表面活性剂，发泡时则可使泡沫均匀细密，不易消泡。由于表面活性剂紧密排列在液膜上，透气困难，而使泡沫更加稳定。⑥表面电荷的影响如果泡沫液膜带有相同符号的电荷，液膜两个表面将互相排斥，防止了液膜变薄乃至破坏。离子型表面活性剂可起这种稳定作用。综上所述，液膜强度是决定泡沫稳定性的关键因素。作为起泡剂和稳泡剂的表面活性剂，其表面吸附分子排列的紧密性和牢固性是最重要的因素。表面吸附分子相互作用强时，吸附分子排列结构紧密，这不仅使表面膜本身具有较高的强度，而且因表面黏度较高使邻近表面膜的溶液不易流动，液膜排液相对困难，液膜的厚度易于维持。此外，排列紧密的表面分子还能减低气体分子的透过性从而也可增加泡沫的稳定性。(3) 泡沫的破坏破坏泡沫的基本原则就是改变产生泡沫的条件或消除泡沫的稳定因素，因而有物理和化学两种消泡方法。物理消泡就是在维持泡沫溶液的化学成分不变的情况下改变泡沫产生的条件，如外力的扰动﹑温度或压力的改变以及超声处理等都是消除泡沫的有效物理方法。化学消泡法是加入某些物质与起泡剂发生作用，降低泡沫中液膜的强度进而降低泡沫的稳定性以达到消泡的目的，这样的物质称为消泡剂。消泡剂大多数为表面活性剂。因此根据消泡的作用机理，消泡剂应当具有较强的降低表面张力的能力，容易吸附在表面上，且表面吸附分子间的相互作用较弱，吸附分子排列结构较为疏松。消泡剂的种类多种多样，但基本上都为非离子表面活性剂。非离子表面活性剂在其浊点附近或浊点以上时具有防泡性能，常用作消泡剂。醇类，特别是有分支结构的醇﹑脂肪酸及脂肪酸酯﹑多酰胺﹑磷酸酯﹑硅油等也是常用的优良消泡剂。(4) 泡沫与洗涤泡沫与洗涤作用并没有直接的联系，泡沫量的多少并不表示洗涤效果的好坏。例如非离子表面活性剂的起泡性能远不如肥皂，但其去污力却比肥皂优异得多。在某些情况下，泡沫在去除污垢方面还是有帮助的。例如：家庭洗涤餐具时，洗涤液的泡沫可以将洗下来的油滴带走；擦洗地毯时，泡沫有助于带走尘土﹑粉未等固体污垢。另外，泡沫有时可以作为洗涤液是否有效的一个标志，因为脂肪性油污对洗涤液的泡沫有抑制作用，当油污过多﹑洗涤剂量少时，就不会有泡沫生成，或使原来的泡沫消失。泡沫有时还可以作为漂洗是否干净的指示剂，因为漂洗液中泡沫量往往随洗涤剂含量的减少而减少，因此可以泡沫量的多少来评价漂洗的程度。 9、洗涤过程从广义上讲，洗涤是从被洗涤对象中除去不需要的成分并达到某种目的的过程。通常意义的洗涤是指从载体表面去除污垢的过程。在洗涤时，通过一些化学物质（如洗涤剂等）的作用以减弱或消除污垢与载体之间的相互作用，使污垢与载体的结合转变为污垢与洗涤剂的结合，最终使污垢与载体脱离，因被洗涤对象和要清除的污垢是多种多样的，因此洗涤是一个十分复杂的过程，洗涤作用的基本过程可用如下简单关系表示
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