Chap1表面活性劑的簡(jiǎn)介

1、Chapter 1.表面活性劑的簡(jiǎn)介1.1表面活性劑及其歷史1.表面活性劑surfactant, 為surface active agent 的縮寫，暗示表面活性劑具有兩種特性：a.活躍于表（界）面 b.改變表（界）面張力表面活性劑是活躍于表面和界面，具有較高的降低表界面張力的能力和效率；在一定濃度以上的溶液中能形成有序組合體，從而具有一系列如（潤(rùn)濕、分散、乳化和洗滌）等應(yīng)用功能的物質(zhì)。表面活性劑的這些功能和特性不僅在生產(chǎn)和生活中有重要應(yīng)用，而且與生命本身活動(dòng)密切相關(guān)，成為研究生命現(xiàn)象的奧秘和發(fā)展仿生技術(shù)及其重要的體系，因而受到廣泛的重視。例如：冰淇淋、洗滌劑等。2.表面活性劑的發(fā)展歷史公元前

2、2500年1850年在美索不達(dá)米亞的Sapo山上進(jìn)行祭祀，羊油和草木灰制造肥皂羊油三羧酸酯簡(jiǎn)稱三甘酯， 經(jīng)堿水解羧酸鹽、單甘酯、二甘酯和甘油19世紀(jì)初期 比利時(shí)的雷希勒，報(bào)告他在實(shí)驗(yàn)室中制作出一種類似肥皂的物質(zhì)。19世紀(jì)中葉 一方面肥皂開(kāi)始實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)，另一方面，也出現(xiàn)了化學(xué)合成的表面活性劑1831年：福海梅最先用橄欖油和苦杏油制作出土耳其紅油該,產(chǎn)品深度磺化后，耐酸耐硬水1875年：土耳其紅油被用于工業(yè)生產(chǎn)中1900年左右：有一種新的土耳其紅油流入歐洲市場(chǎng)，被廣泛使用1916年：德國(guó)禁止用食用油制造肥皂1917年：德國(guó)知名的染料，蘇打公司BASF廠的居恩持爾博士，完全不用油脂而是用丁基奈

3、(從煤焦油中提取，)制造出異丙基萘磺酸鈉，商品名稱為Nekal-A1925年：Nekal-A在美國(guó)和德國(guó)投入生產(chǎn)1928年：油酸丁酯硫酸酯鈉，商品名阿維羅1930年：發(fā)展出高級(jí)醇洗滌劑，比如月桂醇硫酸鈉，商品名Gardinol，功能多。還有Igepon-A/T,Vel(脂肪酸單甘油酯)1933年：IG公司完成Aerosol和Decersol等琥珀酸衍生物二戰(zhàn)結(jié)束：美國(guó)阿特拉斯制粉公司發(fā)明：span和tween，成為非離子表面活性劑的先驅(qū)中國(guó)的烷基苯磺酸鹽工廠于1958年在上海建立；1960年，在大連、上海等地建立陽(yáng)離子活性劑工廠；1978年，開(kāi)始生產(chǎn)甜菜堿型兩性表面活性劑BS-12。科學(xué)研究動(dòng)

4、態(tài)：已由傳統(tǒng)的界面化學(xué)進(jìn)入到分子界面化學(xué)。例如，表面活性劑溶液的相行為、利用激光及中子散射研究微乳、膠束及液晶的微結(jié)構(gòu)、選擇性增溶、表面解離、表面改性、膠束催化、單分子膜、LB膜及仿生表面活性劑、表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、生物表面活性劑、混合表面活性劑體系、表面活性劑拓?fù)鋵W(xué)以及功能性表面活性劑的分子設(shè)計(jì)等等。縱觀表面活性劑的發(fā)展，其實(shí)也是洗滌劑的發(fā)展，近半個(gè)世紀(jì)中，對(duì)洗滌劑的要求：1.3表面張力與表面自由能1.表面和界面表面：物體與空氣/飽和蒸汽等相接觸的表面界面：兩相物質(zhì)間的接觸層，即物質(zhì)相與相之間的分界面稱為界面。包括氣液、氣固、液液、固固和固液五種。其中包含氣相的界面叫表面，包括液體表

5、面、固體表面。2.表面張力的產(chǎn)生例如，水龍頭滴水，水滴趨向球形（忽視重力作用）a. 體相內(nèi)部每個(gè)分子所受其周圍分子作用力對(duì)稱。b. 氣液界面上液體分子所受液相分子的引力比氣相分子對(duì)它的引力強(qiáng)，結(jié)果產(chǎn)生了表面分子受到指向液體內(nèi)部并垂直于界面的引力。表面的分子有向液體內(nèi)部遷移的趨勢(shì)，產(chǎn)生液體表面有自動(dòng)收縮現(xiàn)象。這種引起液體表面自動(dòng)收縮的力就稱之為表面張力。（如上圖）表面自由能：為使液體增加單位表面所需做的可逆功，或恒溫恒壓條件下增加單位表面積時(shí)體系自由能的增值，或單位表面上的分子比體系內(nèi)部同量分子所具有的自由能過(guò)剩值表面過(guò)剩自由能。表面自由能（surface free energy）常用單位為mJ

6、/m23.表面張力的物理量mN/mdyn/cm力學(xué)方法（從力的角度推測(cè)）液膜會(huì)收縮，要使液膜保持，必須施加力F,忽視摩擦力，F(xiàn)=U.2lU比例系數(shù)2因?yàn)橐耗び袃蓚€(gè)表面U即為表面張力（surface tension）其物理意義是：垂直通過(guò)液體表面上的任一單位長(zhǎng)度與液面相切的收縮的表面張力，單位常用mN/m或dyn/cmmj/m2熱力學(xué)方法（從能量角度）在上面的體系中若增加一無(wú)限小的力于F,使其下移dx，則對(duì)體系所做的可逆功dW=F.dx= U.2l.dx=U.dA式中dA2ldx，是體系表面積的改變量，此可逆功也就是體系自由能的增加量（dG）T,P因此，（dG）T,PU.dA由此可得，UdW/d

7、A=（dG/dA）T,P表面自由能與表面張力 對(duì)于表面相，我們從“能”和“力”的角度引出了兩個(gè)不同的概念：表面自由能與表面張力。事實(shí)上這兩個(gè)概念有著密切的聯(lián)系一、 兩者量綱相同3. 表面張力和表面自由能分別是用力學(xué)方法和熱力學(xué)方法研究液體表面現(xiàn)象時(shí)采用的物理量，具有不同的物理意義，卻有相同的量綱1.41.表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)共同特點(diǎn)：分子由兩部分構(gòu)成親油基 Lipophilic ：一般是由長(zhǎng)鏈烴基構(gòu)成，以碳?xì)浠鶊F(tuán)為主親水基 Hydrophilic ：一般為帶電的離子基團(tuán)和不帶電的極性基團(tuán)一般溶劑為水，則表面活性劑由兩部分構(gòu)成疏水基也叫親油基2.表面活性劑的分類（一）按親水基分類表面活性劑(

8、二)按疏水基分類1.炭氫表面活性劑疏水的碳?xì)浠鶊F(tuán)2.氟表面活性劑疏水基為全氟化或部分氟化的碳?xì)滏湥ㄌ細(xì)浔砻婊钚詣┦杷袣淙炕虿糠直环尤〈?.硅表面活性劑疏水基為由亞甲基化的SiOSiSiCSi或SiSi主干，一般是二甲基硅烷的聚合物4.聚氧丙稀由環(huán)氧丙烷齊聚物得到，主要用來(lái)與環(huán)氧乙烷一起制備聚合型表面活性劑（三）其它分類1.按表面活性劑的應(yīng)用功能分類：乳化劑、洗滌劑、起泡劑、潤(rùn)濕劑、分散劑、鋪展劑、滲透劑、加溶劑（增溶劑）2.按照表面活性劑的溶解特性分類：水溶性表面活性劑合油溶性表面活性劑3.按照分子量大小分類：低分子量表面活性劑（一般表面活性劑）高分子量表面活性劑 如：PVA、聚丙

9、烯酸、聚丙稀酰胺、聚乙烯吡啶為主鏈的聚合物、聚乙烯吡啶酮、順丁烯二酸共聚物、PEO、半酯4.此外還有：普通表面活性劑、特種表面活性劑、合成表面活性劑、天然表面活性劑、生物表面活性劑等不同分類。1.5表面活性劑原理表面吸附和溶液內(nèi)部自聚表面活性劑的表面活性源于表面活性劑分子的兩親性結(jié)構(gòu)1.表面吸附“相似相親規(guī)則”兩種趨向平衡的結(jié)果，表面活性劑在表面富集。親水基伸向水中，疏水基伸向空氣，這種富集又稱為吸附。吸附結(jié)果是水表面似被一層非極性的碳?xì)滏湼采w，從而導(dǎo)致水的表面張力下降。2.溶液內(nèi)部自聚當(dāng)表面活性劑吸附達(dá)到平衡時(shí)，表面活性劑不能繼續(xù)在表面富集，而疏水基的疏水作用仍竭力促使其逃逸水環(huán)境表面活性劑

10、在溶液內(nèi)部自聚。疏水基向里靠在一起形成內(nèi)核，遠(yuǎn)離水環(huán)境。而親水性基團(tuán)朝外與水接觸。表面活性劑這種自聚體稱為分子有序組合體，最簡(jiǎn)單的形成“膠團(tuán)”。形成該膠團(tuán)的作用稱為膠團(tuán)作用，形成膠團(tuán)的濃度稱為臨界膠團(tuán)濃度（critical micelle concentration CMC）隨著表面活性劑濃度的增加，表面吸附力逐漸增大，表面張力逐漸下降，當(dāng)濃度達(dá)到CMC以上，表面張力基本不再變化，rLgc出現(xiàn)一平臺(tái)。表面活性劑表面張力濃度對(duì)數(shù)曲線rLgc曲線濃度（c）=8.1×10-3mol/L1.6表面活性的表征1.通常用加入表面活性劑后溶劑表面張力的降低及其形成的膠團(tuán)的能力（膠團(tuán)化能力）兩個(gè)性質(zhì)

11、來(lái)表征。2.表面活性劑的膠團(tuán)能力用其臨界膠團(tuán)濃度（CMC）來(lái)表示，CMC越小，表面活性劑越容易在溶液中自聚成為膠團(tuán)。3.表面張力降低的量度可以分為兩種：一是降低溶劑表面張力至一定值時(shí)，所需表面活性劑的濃度。二是表面張力的降低所能達(dá)到的最大程度（即溶液表面張力所能達(dá)到的最低值，而不管表面活性劑濃度如何）前一種量度稱為表面活性劑表（界）面張力降低的效本，后一種量度則稱為表面活性劑表（界）面張力降低的能力。用CMC倒數(shù)值代表降低表面張力的效果，也有以降低20mN表（界）面張力所需表面活性劑在溶液中的濃度C20或PC20(PC20LgC20稱為效本因子)作為表面張力降低的效本量度。一般以CMC時(shí)表面張力Ucmc或CMC時(shí)的表面張力降低值（表面壓）作為“能力”量度。1.7表面活性劑的基本功能1.表面活性劑最基本的功能有兩個(gè)：第一，在表（界）面上吸附，形成吸附膜（一般為單分子膜）第二，在氣液內(nèi)部自聚，形成多種類型的分子有序組合體。2.基本功能衍生應(yīng)用功能：表面吸附降低表（界）面張力，改變了體系的表（界）面化學(xué)性質(zhì)。起泡、消泡、乳化、破乳、分散、絮凝潤(rùn)濕、鋪展、滲透、潤(rùn)滑、抗靜電以及殺菌