表面活性劑在工業(yè)中的應(yīng)用

1、表面活性劑在工業(yè)中的應(yīng)用姓名：王化東 專業(yè)：材料科學(xué)與工程摘要：介紹了表面活性劑在選煤、紡織、食品、材料制備、造紙、制藥等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并解釋了其作用的機(jī)理，以及在工業(yè)中應(yīng)用不規(guī)范對環(huán)境和人自身的危害。關(guān)鍵詞：表面活性劑；應(yīng)用；機(jī)理 The Application of Surfactant in Industry Abstract:In this paper, the application of surfactants in the coal, textile, food, material preparation, papermaking, pharmaceutical and oth

2、er industrial fields have been introduced. The mechanism of its action and the harm to environment and human caused by the non-standard application in industrial were explained.Key words:surfactant;application;mechanism前言能使水的表面張力明顯降低的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。這種物質(zhì)通常含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)有機(jī)化合物。親水基團(tuán)進(jìn)入水中，憎水基團(tuán)企圖離開水而指向空

3、氣，在界面定向排列。表面活性物質(zhì)的表面濃度大于本體濃度，增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大，表面活性也愈大。表面活性劑依靠自身獨(dú)特的兩親性結(jié)構(gòu)而具有降低表面張力、起泡、乳化、分散、潤濕、增溶、滲透和抗靜電等性能,在各種工業(yè)和消費(fèi)品應(yīng)用中有重要的地位。目前,世界表面活性劑消耗量約為900萬t,其中工業(yè)用量占55%,已廣泛應(yīng)用于選煤、紡織、食品、材料制備、造紙、制藥等工業(yè)領(lǐng)域。1 表面活性劑在選煤中的應(yīng)用選煤是潔煤技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一,是國際上公認(rèn)的潔煤技術(shù)中的重點(diǎn)。表面活性劑因其具有雙親結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在選煤中有著重要的作用。開采到的煤粒,一般被粘土粘污,大顆粒表面粘土易洗去,但煤泥

4、中有相當(dāng)可觀的小煤粒,一般用泡沫浮選法回收。在浮選過程中,單靠煤與堿石表面性質(zhì)的自然差異還不夠,必須向煤漿中添加一定量的浮選藥劑,以提高煤表面的疏水性使煤粒能更好地粘附在氣泡上,形成礦化泡沫層。再者,在單純的煤漿中充氣,產(chǎn)生的氣泡極易破裂,應(yīng)添加浮選藥劑增加其穩(wěn)定性和分散性,因此浮選效果的好壞取決于浮選藥劑。同樣為提高絮凝法選煤的效果,應(yīng)在絮凝過程中加入分散性較好的助劑,這些助劑是高分子表面活性劑,分子鏈較長,在煤粒表面的吸附能力較強(qiáng),絮凝效果也較好。目前我國浮選選煤約占煤炭入洗量的15%25%,表面活性劑在此過程中的用量每年達(dá)7000多t,主要是起泡劑,還有少量的添加劑和脫水劑。其中應(yīng)用最多

5、的起泡劑有甲基異丁基甲醇、雜醇油、聚乙二醇和聚丙二醇等,每年我國純起泡劑的用量約3500t。與發(fā)達(dá)國家相比,我國原煤入洗比重還相當(dāng)?shù)?隨著對環(huán)境保護(hù)要求的提高,我國將努力加大煤炭的入洗比重,相應(yīng)地加大起泡劑的用量。2 表面活性劑在紡織工業(yè)中的應(yīng)用2.1洗凈劑洗凈劑也稱洗滌劑,在纖維紡織過程中應(yīng)用廣泛,如棉布的退漿和煮練、羊毛的脫脂和洗滌、生絲的脫膠、合成纖維的脫油、織物染色和印花后清除未固色的染料等工序,都使用洗凈劑。其在水中具有乳化、潤濕、起泡、膠溶和懸浮等性能,從而表現(xiàn)出顯著的去污能力,且耐硬水,遇到鈣、鎂離子不會產(chǎn)生沉淀,在水中不產(chǎn)生游離堿,不會損傷絲、毛織物的強(qiáng)度,不僅能在堿性或中性溶

6、液中使用,還可在酸性溶液中使用,洗滌過程快,用量少,低溫也可洗滌1,2。由于陽離子表面活性劑會產(chǎn)生靜電吸附,導(dǎo)致表面活性劑的疏水基向著水溶液,分散后的污垢容易再沾污到織物表面,這樣對于織物凈洗極為不利。因而,作為洗滌用的表面活性劑多用非離子、陰離子和兩性離子3。新型產(chǎn)品有茶皂素、多肽基表面活性劑4。2.2勻染劑和分散劑避免染色不均勻或染斑,是印染工藝的主要任務(wù)之一。勻染劑是指染色中能延緩染料上染纖維速度(緩染),并能使染料在纖維上從高濃度的部位轉(zhuǎn)移到低濃度的部位(移染),從而避免出現(xiàn)深淺不均和色斑現(xiàn)象,并且不降低染色堅(jiān)牢度的一類助劑。表面活性劑可以增加染料的溶解度,增強(qiáng)其纖維上的滲透力和附著力

7、,增強(qiáng)其色澤和提高紡織品的耐洗度。某些陰離子表面活性劑,如烷基磺酸鈉、高級脂肪醇硫酸鈉鹽等,可用作天然纖維、錦綸纖維的親纖維型勻染劑。分散劑是染料加工和染料應(yīng)用中不可缺少的助劑,分散劑在染色中具有兩個主要特殊作用:一是拆開聚集離子的反絮凝作用;二是保持分散粒子穩(wěn)定的能力。有的分散劑本身就兼有分散性和移染性等多種作用,既可作為染料加工用擴(kuò)散劑,又可作為印染中的勻染劑。蘇喜春等人5在進(jìn)行羊毛染色實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),十八烷基胺聚氧乙烯醚硫酸酯鈉鹽能顯著改善弱酸性艷藍(lán)RAW對羊毛的勻染性和潤濕性能,濃度越大,勻染性越好。隨著各種新型染色技術(shù)的逐步成熟,比如微波染色6、泡沫染色、數(shù)碼印花7和超臨界流體染色8等,

8、對勻染劑和分散劑提出了更高的要求。2.3抗靜電劑為消除或防止紡織過程中各工序產(chǎn)生的靜電和在織物整理工序時或過程中的靜電,必須使用抗靜電劑。其作用主要在于使纖維的表面具有吸濕性和離子性,從而降低纖維的絕緣性,提高導(dǎo)電度,并能中和電荷,達(dá)到消除或防止靜電產(chǎn)生的目的。Choi等9，10研究了在陽離子Gemini表面活性劑12-3-12和12-6-12存在下,染料1,4-二胺蒽醌(1,4-DAA)對尼龍-6和聚酯的分散染色性能,發(fā)現(xiàn)Gemini表面活性劑可用于控制染色動力學(xué)和改善染料的吸收。 3表面活性劑在食品工業(yè)中的主要作用3.1表面活性劑作乳化劑乳化劑的分子內(nèi)通常具有親水基(羥基等)和親油基(烷基

9、),易在水與油的界面上形成吸附層,屬表面活性劑,可分為油包水型和水包油型兩類?？捎玫娜榛瘎┛倲?shù)約65種,常用的有脂肪酸甘油酯(主要為單甘油脂)、脂肪酸蔗糖酯、明膠和蛋黃等。乳化劑能改善乳化體中各種構(gòu)成相互之間的表面張力,使之形成均勻的分散體或乳化體,從而改善食品組織結(jié)構(gòu)、口感和外觀,提高食品保存性等。例如,在冰淇淋的生產(chǎn)中,冰淇淋產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)包括口感細(xì)膩、膨脹率高,通過使用合適的乳化劑,可提高發(fā)泡能力,改進(jìn)組織的均勻性,從而得到高質(zhì)量的冰淇淋。3.2表面活性劑作增稠劑增稠劑是能提高食品粘度或形成凝膠的一類添加劑,具有穩(wěn)定乳化或懸濁狀態(tài)的作用,屬親水性高分子化合物,一般稱高分子表面活性劑,

10、亦稱粘度調(diào)節(jié)劑,膠凝劑和乳化穩(wěn)定劑等。分天然和化學(xué)合成兩類。如淀粉,阿拉伯樹膠、瓜爾豆膠、纖維素乙醇酸和聚丙烯酸鈉、淀粉乙醇酸鈉等。4表面活性劑在多孔材料制備中的應(yīng)用有序介孔材料是最常見的介孔材料。利用表面活性劑形成的超分子結(jié)構(gòu)為模板,采用溶膠-凝膠工藝,通過有機(jī)物和無機(jī)物之間的界面定向?qū)б饔媒M裝成一類孔徑約1.5nm30nm、具有孔徑分布窄且有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)多孔材料11。合成過程中的三個主要組分是:無機(jī)物種(前驅(qū)物),用來生成無機(jī)孔壁。表面活性劑(模板劑),在組裝(介觀結(jié)構(gòu)生成)過程中起決定性導(dǎo)向作用。溶劑作為反應(yīng)場所(介質(zhì))。合成可分成兩個主要階段:利用具有雙親性質(zhì)(含有親水和疏水基

11、團(tuán))的表面活性劑有機(jī)分子與可聚合無機(jī)單體分子或無機(jī)源在一定的合成環(huán)境下自組織生成具有納米尺寸的有機(jī)-無機(jī)液晶相(介觀結(jié)構(gòu))。利用高溫?zé)崽幚砘蜉腿〉任锢砘瘜W(xué)方法脫除有機(jī)模板劑(表面活性劑),即得具有介孔孔道的介孔材料。合成機(jī)理為基于表面活性劑合成介孔分子篩,其核心為模板機(jī)制。目前有多種機(jī)理:Beck等12提出的液晶模板機(jī)理;Monnier等提出的電荷密度匹配機(jī)理;霍啟升等依據(jù)表面活性劑和無機(jī)物種間的各種不同相互作用提出的廣義液晶模板機(jī)理;Inagaki等提出的硅酸鹽片迭機(jī)理;以及Attard和Antonietti等人的真正液晶模板機(jī)理。液晶模板機(jī)理。其核心是液晶相或膠束作為模板劑。認(rèn)為表面活性劑

12、生成的溶致液晶作為形成MCM-41結(jié)構(gòu)的模板劑。具有親水和疏水基團(tuán)的表面活性劑(有機(jī)模板)在水的體系中先形成球形膠束,再形成棒狀(柱狀)膠束。膠束的外表面由表面活性劑的親水端構(gòu)成,當(dāng)表面活性劑濃度較大時,生成六方有序排列的液晶結(jié)構(gòu),溶解在溶劑中的無機(jī)單體分子或齊聚物因與親水端存在引力,沉淀在膠束棒之間的孔隙間,聚合固化構(gòu)成孔壁。表面活性劑的液晶相是在加入無機(jī)反應(yīng)物之前形成的。協(xié)同作用機(jī)理。認(rèn)為表面活性劑生成的液晶作為形成MCM-41結(jié)構(gòu)的模板劑,但是表面活性劑的液晶相是在加入無機(jī)反應(yīng)物之后形成的,形成表面活性劑介觀相是膠束和無機(jī)物種相互作用的結(jié)果。a)由于有機(jī)相與無機(jī)相界面之間復(fù)雜的相互作用(

13、如靜電吸引力、氫鍵作用或配位鍵等)導(dǎo)致無機(jī)物種在界面的濃縮,從而產(chǎn)生膠束加速無機(jī)物種的縮聚過程。b)無機(jī)物種的縮聚反應(yīng)對膠束形成類液晶相結(jié)構(gòu)有序體的促進(jìn)作用。對孔道形狀、孔徑大小進(jìn)行人為調(diào)變也取得了一定進(jìn)展13。A液晶模板機(jī)理 B協(xié)同作用機(jī)理5 表面活性劑在造紙工業(yè)中的應(yīng)用5.1蒸煮滲透劑表面活性劑的作用功能之一就是可顯著改善潤濕性能,對固體表面可通過表面活性劑在表面進(jìn)行單層吸附,使表面拒水、抗黏,通過多層吸附使表面更加親水。對于液體界面,表面活性劑可通過降低界面張力,增大潤濕性,提高滲透作用14。在蒸煮液中加入表面活性劑,可以促進(jìn)蒸煮液在纖維原料中的滲透,縮短藥液滲入到植物纖維原料內(nèi)部的時間

14、,從而加速了脫木素和樹脂抽提過程,同時還可以適當(dāng)減少蒸煮藥液的用量15。5.2樹脂障礙控制劑經(jīng)過制漿處理后的紙漿在漂白過程中會析出殘余的樹脂,如不及時分離會形成黏性淤積物,黏附于設(shè)備、紙機(jī)銅網(wǎng)、毛布和烘缸上,造成造紙障礙,影響正常抄紙,還會產(chǎn)生紙病。另外由于造紙行業(yè)中大量采用廢紙,廢紙中的膠黏劑、油墨黏連料、涂布黏合劑等樹脂性物質(zhì)同樣會產(chǎn)生樹脂障礙影響抄造。據(jù)報道,全球造紙樹脂及沉積物障礙控制劑的銷售額大于3.1億美元16。最常用的樹脂障礙控制劑是表面活性劑。陰離子表面活性劑是目前應(yīng)用最為廣泛的表面活性劑,如脂肪醇硫酸鹽、烷基苯磺酸及高級醇、磷酸酯等17。陽離子表面活性劑主要為烷基胺鹽或季銨鹽

15、。非離子表面活性劑主要有聚乙二醇型與多元醇等。5.3纖維分散劑對于造紙過程來說,纖維、填料和一些助劑等都具有不溶于水的特性,它們有在水溶液中自行聚集的趨勢,而且不同物料之間往往因不相容性而盡量遠(yuǎn)離。這樣就難以得到性能均勻、強(qiáng)度理想的紙張。纖維分散劑的主要作用是減少纖維絮凝,改進(jìn)紙料成形。纖維分散劑能使纖維表面形成雙分子層結(jié)構(gòu),外層分散劑極性端與水有較強(qiáng)的親合力,增加被水潤濕的程度,并因靜電斥力而遠(yuǎn)離,達(dá)到分散的效果。常用的纖維分散劑有部分水解的聚丙烯酰胺(PAM)、聚氧化乙烯(PEO)等。PEO具有較強(qiáng)的黏性、水溶性、潤濕性好等特點(diǎn),在高檔衛(wèi)生紙中添加0.05%以下,就能取得良好的分散效果。孿

16、連表面活性劑有強(qiáng)的潤濕、滲透性能,它顯著降低水的表面張力,改善了纖維表面的潤濕程度,提高了分散度。另外,它在分散相表面定向吸附,產(chǎn)生相互斥力,防止了分散相的絮聚。表面活性劑能在纖維表面形成疏水基向外的反向吸附,降低纖維物質(zhì)的動靜摩擦系數(shù),從而獲得平滑柔軟的手感18。6 表面活性劑在制藥工業(yè)中的應(yīng)用6.1在液體制劑中做增溶劑所謂液體制劑是以液體形態(tài)用于治療的制劑。按其應(yīng)用,液體制劑可分為內(nèi)服、外用、注射三類。在藥劑學(xué)中常遇到一些難溶于水的藥物要配成水溶液的問題,這時增加難溶物溶解度便成了關(guān)鍵,目前解決此類問題的措施之一是加入表面活性劑,使難溶藥物加溶在膠束內(nèi),增大其溶解度。增溶劑在藥物制劑中有很

17、多應(yīng)用,可用于口服制劑、注射劑等。內(nèi)服制劑和注射劑所用的增溶劑大多屬于非離子型表面活性劑。選擇增溶劑時要慎重,先考慮有沒有毒性,會不會引起紅血球破壞而產(chǎn)生溶血作用,還要考慮增溶劑的性質(zhì)是否穩(wěn)定,要注意不能與主藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。有些增溶劑會降低殺菌劑的效力,有的還會使口服液制劑產(chǎn)生不良?xì)馕?。增溶劑的加入有加水法和加劑法兩種,不同的加入順序會產(chǎn)生截然不同的溶解效果。增溶劑可防止或減少藥物氧化,這是因?yàn)樗幬锉辉鋈茉谀z團(tuán)之內(nèi),與氧隔絕,從而有效地防止了藥物被氧化。同時,對大多數(shù)藥物來講,加入增溶劑后還可增大對藥物的吸收,增強(qiáng)生理活性。但并不是所有藥物被增溶后生理活性都增加,如水楊酸被增溶后,生理活性反而

18、下降19。7表面活性劑的危害一般認(rèn)為，土壤膠體多帶負(fù)電荷，加入陰離子表面活性劑后其表面電勢增加，膠體之間的排斥力增加；加入陽離子表面活性劑后情況正好相反，土壤化學(xué)性質(zhì)的改變會直接影響土壤中化合物的行為 20。降低了土壤中交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的含量，增加了土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘的含量，從而降低了土壤中鎘的可移動性和生物有效性21。當(dāng)進(jìn)入污水處理廠污水中的表面活性劑達(dá)到一定濃度時，會影響曝氣、沉淀、污泥硝化等諸多過程，飲用水中含有過多表面活性劑時會有不良的嗅和味，有油膩感。表面活性劑對植物生長的影響有臨界濃度，當(dāng)其濃度低于臨界濃度時對植物的生長有一定的促進(jìn)作用，但隨其濃度的增加逐漸

19、會出現(xiàn)毒害作用，這種毒害主要由于表面活性劑能與生物膜結(jié)合并插入或透過膜，在膜內(nèi)形成膠束，隨著表面活性劑濃度的增加，就會造成膜蛋白和脂分離，使膜解體。現(xiàn)代生活大部分的洗滌劑、護(hù)膚美容產(chǎn)品主要成分都是表面活性劑，長期使用會對皮膚產(chǎn)生刺激作用，使表皮老化，產(chǎn)生一定程度的損傷，重者可引起表皮壞死、腐肉形成和斷裂；表面活性劑進(jìn)入人體后產(chǎn)生的影響有很大一部分是通過作用于人體內(nèi)的酶實(shí)現(xiàn)的，在一定濃度下，表面活性劑使原本不該活化的酶被激活，而在高于一定濃度時，酶的活性又被抑制，打亂了人體正常的生理功能，表面活性劑的毒性就通過種種病癥表現(xiàn)出來。結(jié)束語表面活性劑獲得了廣泛的應(yīng)用,被譽(yù)為“工業(yè)味精”。表面活性劑分子

20、具有兩親性,在水溶液中極易富集于表面,從而顯著改變?nèi)芤盒再|(zhì),且隨著分子中親水和親油比例的不同、結(jié)構(gòu)的不同,表現(xiàn)出的性質(zhì)亦有差異。隨著膠體與表面化學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)的研究與發(fā)展 , 表面活性劑在工業(yè)的應(yīng)用將發(fā)揮更大作用 。參考文獻(xiàn)1 薛廣波.實(shí)用消毒學(xué)M.北京:人民軍醫(yī)出版社,1986,506-508.2 呂艷萍,李臨生,安秋鳳.織物抗菌整理劑有機(jī)硅季銨鹽ASQA的合成及應(yīng)用J.印染助 劑,2005,22(1):20-23.3 張淑琦,張春香.表面活性劑在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用J.中國洗滌用品工業(yè),2006(1):42-46.4 唐育民,陸寧寧.綠色印染助劑的開發(fā)與原料選用J.印染助劑,2000,1

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