表面活性劑的作用原理與應(yīng)用

葉聰 楊飛 李勇

摘要：表面活性劑通過在氣液兩相界面吸附降低水的表面張力，也可以通過吸附在液體界面間來降低油水界面張力。表面活性劑系統(tǒng)的熱動力學(xué)很重要，不論是理論上還是實(shí)踐上。因為表面活性劑系統(tǒng)代表的是介于有序和無序物質(zhì)狀態(tài)之間的系統(tǒng)。表面活性劑溶液可能含有有序相和無序相。膠束——表面活性劑分子的親脂尾端聚于膠束內(nèi)部，避免與極性的水分子接觸;分子的極性親水頭端則露于外部，與極性的水分子發(fā)生作用，并對膠束內(nèi)部的憎水基團(tuán)產(chǎn)生保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：表面活性劑;合成;分類;作用原理

近年來，表面活性劑在生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息材料以及許多現(xiàn)代高新技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。表面活性劑一般為具有親水與疏水基團(tuán)的有機(jī)兩性分子，可溶于有機(jī)溶液和水溶液。親水基團(tuán)常為極性的基團(tuán)，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其鹽，也可是羥基、酰胺基、醚鍵等;而憎水基團(tuán)常為非極性烴鏈，如8個碳原子以上烴鏈。表面活性劑分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑等。它是一大類有機(jī)化合物，他們的性質(zhì)極具特色，應(yīng)用極為靈活、廣泛，有很大的實(shí)用價值和理論意義。

一、表面活性劑的分類

表面活性劑的分類方法很多，根據(jù)疏水基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，分直鏈、支鏈、芳香鏈、含氟長鏈等;根據(jù)親水基進(jìn)行分類，分為羧酸鹽、硫酸鹽、季銨鹽、PEO衍生物、內(nèi)酯等;有些研究者根據(jù)其分子構(gòu)成的離子性分成離子型、非離子型等，

按極性基團(tuán)的解離性質(zhì)分類

1、陰離子表面活性劑：硬脂酸，十二烷基苯磺酸鈉肥皂類。系高級脂肪酸的鹽，通式：（RCOOˉ）nM。

硫酸化物RO-SO3-M。主要是硫酸化油和高級脂肪醇硫酸酯類。

磺酸化物R-SO3-M。屬于這類的有脂肪族磺酸化物、烷基芳基磺酸化物和烷基萘磺酸化物。

2、陽離子表面活性劑：季銨化物

該類表面活性劑起作用的部分是陽離子，因此稱為陽性皂。其分子結(jié)構(gòu)主要部分是一個五價氮原子，所以也稱為季銨化合物。其特點(diǎn)是水溶性大，在酸性與堿性溶液中較穩(wěn)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

這類表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中同時具有正、負(fù)電荷基團(tuán)，在不同pH值介質(zhì)中可表現(xiàn)出陽離子或陰離子表面活性劑的性質(zhì)。

4、非離子表面活性劑：脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盤）。

二、表面活性劑的作用機(jī)理

由于兩相都將其看作本相的一個組分，就相當(dāng)于兩個相與表面活性劑分子都沒有形成界面，就相當(dāng)于通過這種方式部分的消滅了兩個相的界面，就降低了表面張力和表面自由能。表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。表面自由能：在恒溫恒壓條件下使體系增加單位表面積，外界必須對體系做的功。

表面活性劑一般是低分子量分散劑。表面活性劑分子具有改性作用，特別是降低顏料和樹脂溶液間表面張力。表面活性劑結(jié)構(gòu)上含有兩種溶解性或極性相反的基團(tuán)，使表面活性增加。在水性體系中，極性基團(tuán)是一些親水基，非極性的則是憎水基或親油基。在非水性體系中，極性基團(tuán)是憎油基，非極性的為親油基。表面活性劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)分類，特別是極性基團(tuán)包括：陰離子、陽離子、電中性粒子和非離子。

聚合物分散劑作用下效力由以下因素確定：顏料表面極性基團(tuán)的吸附作用。錨固基團(tuán)可以是氨基、羧酸、磺酸、磷酸及其鹽。介質(zhì)中圍繞在微粒周圍的非極性鏈段的行為。分子的一些部分（脂肪族或脂肪族-芳香族片斷）必須與粘接劑體系高度的相容。類似表面活性劑的分散劑的穩(wěn)定機(jī)理是靜電穩(wěn)定：圍繞顏料粒子的極性基團(tuán)形成了雙層帶電的結(jié)構(gòu)。由于布朗運(yùn)動，液體介質(zhì)中顏料粒子時常碰撞在一起，因此在其減速進(jìn)程中具有強(qiáng)烈的重絮凝趨勢。

三、表面活性劑的作用

（1）乳化作用由于油脂在水中表面張力大，當(dāng)水中滴入油脂后，用力攪拌，油脂被粉碎成細(xì)珠狀，互相混合成乳濁液，但攪拌停止又重新分層.如果加入表面活性劑，用力攪拌，停止后很長時間內(nèi)卻不易分層，這就是乳化作用.其原因是油脂的疏水性被活性劑的親水基團(tuán)所包圍，形成定向的吸引力，降低了油在水中分散所需要的功，使油脂得到很好的乳化。

（2）潤濕作用零件表面上往往粘附有一層蠟、油脂或鱗片狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)是疏水性的.由于這些物質(zhì)的污染，零件表面不易被水潤濕，當(dāng)水溶液中加入表面活性劑時，零件上的水珠就很容易分散開來，使零件的表面張力大大降低，達(dá)到潤濕目的。

（3）增溶作用油類物質(zhì)中加入表面活性劑后，才能溶解，但是這種溶解只有在表面活性劑的濃度達(dá)到膠體的臨界濃度時才能發(fā)生，溶解度的大小根據(jù)增溶對象和性質(zhì)來決定.就增溶作用而言，長的疏水基因烴鏈要比短烴鏈強(qiáng)，飽和烴鏈比不飽和烴鏈強(qiáng)，非離子表面活性劑增溶作用一般比較顯著。

（4）分散作用灰塵和污粒等固體粒子比較容易聚集在一起，在水中容易發(fā)生沉降，表面活性劑的分子能使固體粒子聚集體分割成細(xì)小的微粒，使其分散懸浮在溶液中，起到促使固體粒子均勻分散的作用。

（5）泡沫作用泡沫的形成主要是活性劑的定向吸附作用，是氣液兩相間的表面張力降低所致.一般低分子活性劑容易發(fā)泡，高分子活性劑泡沫少，豆蔻酸黃發(fā)泡性最高，硬脂酸鈉發(fā)泡性最差，陰離子活性劑發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性比非離子型好。

四、表面活性劑的發(fā)展趨勢

系統(tǒng)開發(fā)安全、溫和、易生物降解、具有特殊作用的表面活性劑，研究其構(gòu)效關(guān)系，為新型產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。重點(diǎn)開發(fā)糖苷類表面活性劑，糖苷有多個游離羥基，類似多元醇，可開發(fā)各種多元醇類和醇類表面活性劑。

開發(fā)蔗糖脂肪酸酯系列產(chǎn)品，蔗糖脂肪酸酯是以8個羥基蔗糖為親水基，以置換了蔗糖羥基的脂肪酸部分為憎水基的非離子表面活性劑，是通過蔗糖與脂肪酸酯交換反應(yīng)形成的。除單酯外，某種條件下可生成二酯和三酯。蔗糖脂肪酸酯可作食品添加劑（乳化劑），具有無毒、無臭、無刺激性、易生物降解性等優(yōu)點(diǎn)，其洗凈力不大，但有W/0型乳化、增溶、起泡等多種性能，并且有抑制淀粉沉降和油脂結(jié)晶轉(zhuǎn)變的作用。研究表面活性劑在工業(yè)催化方面的應(yīng)用，重點(diǎn)對酯化、磺化、烷基化、硝化反應(yīng)專用的新型、高效、環(huán)境友好的催化劑進(jìn)行開發(fā)研究，以降低工業(yè)生產(chǎn)成本。

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