表面活性劑應(yīng)用導(dǎo)論-第1章表面活性劑概述電子教案

2025/1/15表面活性劑應(yīng)用導(dǎo)論表面活性劑應(yīng)用導(dǎo)論輕化工程專(zhuān)業(yè)課丁斌2025/1/15表面活性劑應(yīng)用導(dǎo)論參考文獻(xiàn)：《表面活性劑合成與工藝》，李宗石、徐明新編，輕工業(yè)出版社。《表面活性劑和洗滌劑制備、性質(zhì)、應(yīng)用》梁夢(mèng)蘭編著，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社?！侗砻婊钚詣?yīng)用大全》劉程等編著，北京工業(yè)大學(xué)出版社。2025/1/151.表面活性劑概述6.兩性表面活性劑2.表面活性劑的基本原理7.非離子表面活性劑3.表面活性劑的功能與應(yīng)用8.特殊類(lèi)型的表面活性劑4.陰離子表面活性劑9.表面活性劑的復(fù)配5.陽(yáng)離子表面活性劑目錄：2025/1/15表面活性劑應(yīng)用導(dǎo)論—第1章表面活性劑概述輕化工程專(zhuān)業(yè)課丁斌2025/1/151.1前言肥皂洗滌劑潤(rùn)濕劑乳化劑破乳劑分散劑泡沫助推器消泡劑增溶劑2025/1/151.1.1表面活性劑的用途降低表面張力改善潤(rùn)濕表面允許將乳化油在水中保持顏料分散提供清潔潤(rùn)滑油

防止靜電穩(wěn)定泡沫2025/1/151.1.2表面活性劑概念表面活性劑（surfaceactiveagent;surfactant):溶于溶劑后，具有使表面張力顯著降低并可明顯改變體系的表面狀態(tài)的物質(zhì)作用的一類(lèi)重要的精細(xì)化學(xué)品。2025/1/15第1章表面活性劑概述1.1前言1.2表面張力1.3表面活性1.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5表面活性劑的分類(lèi)1.6表面活性劑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)界面是指兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過(guò)渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱(chēng)為表面。常見(jiàn)的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。嚴(yán)格講表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱(chēng)為液體或固體的表面。2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)常見(jiàn)的界面有：1.氣-液界面(液體表面)2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)2.氣-固界面(固體表面)2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)3.液-液界面2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)4.液-固界面2025/1/151.2.1表面和界面(surfaceandinterface)5.固-固界面2025/1/151.2.2液體的表面張力

對(duì)于單組分系統(tǒng)，這種特性主要來(lái)自于同一物質(zhì)在不同相中的密度不同；對(duì)于多組分系統(tǒng)，則特性來(lái)自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。

表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不同。

體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱(chēng)的，各個(gè)方向的力彼此抵銷(xiāo)；

但是處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力未必能相互抵銷(xiāo)，因此，界面層會(huì)顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。2025/1/151.2.2液體的表面張力

最簡(jiǎn)單的例子是液體及其蒸氣組成的表面。

液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷(xiāo)，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力小（因?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，所以表面分子受到被拉入體相的作用力。

這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過(guò)飽和狀態(tài)等。2025/1/15

從圖看：Ｂ分子在液相內(nèi)部移動(dòng)不需要作工，Ａ分子受到液相分子對(duì)它的引力要比氣相分子對(duì)它的引力強(qiáng)，結(jié)果就產(chǎn)生了表面層液相分子受到指向液體內(nèi)部并垂直于界面的引力，我們把單位面積上的引力稱(chēng)之為表面張力。B分子A分子1.2.2液體的表面張力2025/1/15如果在活動(dòng)邊框上掛一重物，使重物質(zhì)量W2與邊框質(zhì)量W1所產(chǎn)生的重力F（F=（W1+W2）g）與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動(dòng)。這時(shí)

l是滑動(dòng)邊的長(zhǎng)度，因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長(zhǎng)度為2l，就是作用于單位邊界上的表面張力。1.2.2液體的表面張力2025/1/15

在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力，它垂直于表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動(dòng)的邊會(huì)被向上拉，直至頂部。

把作用于單位邊界線上的這種力稱(chēng)為表面張力，用g表示，單位是N·m-1。1.2.2液體的表面張力2025/1/15如果在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，所以線圈成任意形狀可在液膜上移動(dòng)，圖(a)。如果刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個(gè)圓形，圖(b)，清楚的顯示出表面張力的存在。1.2.2液體的表面張力2025/1/15由于表面層分子的受力情況與本體中不同，因此如果要把分子從內(nèi)部移到界面，或可逆的增加表面積，就必須克服系統(tǒng)內(nèi)部分子之間的作用力，對(duì)系統(tǒng)做功。溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增加dA所需要對(duì)系統(tǒng)作的可逆功，稱(chēng)為表面功。用公式表示為：1.2.3液體的表面功2025/1/15此可逆功也就是體系自由能的增量，因此也就是說(shuō)，γ為使液體增加單位表面所需做的可逆功，或恒溫恒壓下增加單位表面積體系自由能的增值，或單位表面上的分子比體積內(nèi)部同量分子所具有的自由能過(guò)剩值，稱(chēng)為表面過(guò)剩自由能，簡(jiǎn)稱(chēng)表面自由能。1.2.3液體的表面功2025/1/151.2.4表面功與表面張力的異同點(diǎn)

異：物理概念、意義不同：2)表面張力（通常）指純物質(zhì)的表面層分子間實(shí)際存在著的（收縮）張力。單位：N

/

m，dyn

/

cm。

1)表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，可表示為：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)方法研究表面現(xiàn)象時(shí)采用的物理量，具有不同的物理意義，卻又具有相同的量綱。當(dāng)采用適宜的單位時(shí)二者相同。2025/1/151.2.5表面張力的測(cè)定自一毛細(xì)管滴頭滴下液體時(shí)，液滴的大小與液體的表面張力有關(guān)，即表面張力越大，滴下的液滴也越大，二者存在關(guān)系：

W=2

R

f

f

為修正系數(shù)，用已知

的液體來(lái)校正；界面邊界線：圓周長(zhǎng)

2

R1.滴重法2025/1/152.毛細(xì)管上升法

其原理是當(dāng)毛細(xì)管插入液體時(shí)，管中的彎液面會(huì)上升或下降一定的高度h，測(cè)定h并按下式計(jì)算表面張力。

γ=1/2RΔρg(h+R/3)

R為毛細(xì)管半徑；Δρ為界面兩相的密度差；g為重力加速度。1.2.5表面張力的測(cè)定2025/1/153.圓環(huán)法

圓環(huán)平放液面上，測(cè)定圓環(huán)被拉離液面所需的力。（

f

為修正系數(shù)，用已知

的液體來(lái)校正）P=W環(huán)

2

R內(nèi)

2

R外

=W環(huán)

4

R平均

1.2.5表面張力的測(cè)定2025/1/154.最大泡壓法

氣泡形成中其底部較偏平,原因是底部水壓(

g

h)值稍大些。用毛細(xì)管插入液相表面，向內(nèi)吹氣（調(diào)節(jié)壓力P

使氣泡逐步形成，越慢越好并破裂）。1.2.5表面張力的測(cè)定2025/1/15

（

f

為修正系數(shù)，用已知

的液體來(lái)校正）

PS

P

P0=2

R

f此時(shí)，P

應(yīng)該略大于P0+PSP

P0+PS1.2.5表面張力的測(cè)定2025/1/155.滴外形法對(duì)于表面吸附速率很慢的溶液只能采取滴外形法，上述五種常用的測(cè)定表面張力的方法則不適用。1.2.5表面張力的測(cè)定所謂滴外形法是利用液滴或者氣泡的形狀與表面張力存在一定的關(guān)系得特點(diǎn)，測(cè)定平衡表面張力及表面張力隨時(shí)間變化的關(guān)系。2025/1/15第1章表面活性劑概述1.1前言1.2表面張力1.3表面活性1.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5表面活性劑的分類(lèi)1.6表面活性劑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2025/1/15一切液體，在一定條件下均具有一定的表面張力，表面張力的大小受溫度、壓力和溶液濃度等因素的影響。通過(guò)實(shí)踐，人們把各種物質(zhì)的水溶液的表面張力和濃度關(guān)系歸結(jié)為三類(lèi)：1.3.1表面活性定義2025/1/15這類(lèi)溶質(zhì)有：無(wú)機(jī)鹽、不揮發(fā)性的酸、堿，如

H2SO4、NaOH

等；A）

隨濃度

c

增加而增加（近乎直線）。解釋?zhuān)喝芤褐须x子間靜電引力的增加使增加體系表面積消耗的表面功增大。1.3.1表面活性定義2025/1/15B）

隨濃度

c

增加而下降，開(kāi)始下降快一些，逐漸減慢。這類(lèi)溶質(zhì)有：非離子型極性有機(jī)物，如：(可溶于水的)醇、酸、醛、酮、醚、酯類(lèi)等。1.3表面活性2025/1/15這類(lèi)溶質(zhì)多為兩親有機(jī)物：有8個(gè)以上碳的有機(jī)酸鹽、有機(jī)胺鹽、磺酸鹽、苯磺酸鹽等。C）初始低濃度時(shí)，

隨濃度增加急劇下降，但到一定濃度后幾乎不再變化。1.3.1表面活性定義2025/1/15

就降低界面張力這一特性而言，我們把能使溶劑界面張力降低的性質(zhì)，稱(chēng)之為表面活性。上述2、3類(lèi)物質(zhì)是具有表面活性的物質(zhì)。1.3.1表面活性定義2025/1/15若加入溶質(zhì)后，溶質(zhì)從溶液內(nèi)部遷至表面，在表面富集的過(guò)程叫吸附。若加入溶質(zhì)后，溶液的表面張力

下降，則溶質(zhì)趨于在溶液表面富集，以更多地降低體系表面自由能，稱(chēng)為表面正吸附，反之為表面負(fù)吸附。1.3.2表面吸附現(xiàn)象2025/1/151.3.3表面活性劑和表面活性物質(zhì)的異同點(diǎn)物質(zhì)加入溶液中非表面活性物質(zhì)表面負(fù)吸附表面活性物質(zhì)表面正吸附表面活性劑（濃度極低時(shí)、分子能發(fā)生締合，形成“膠團(tuán)）

非表面活性劑2025/1/15在稀水溶液中，可用量(

0

)

/c來(lái)表示表面活性劑的效率。1.3.4特勞貝（Traube）經(jīng)驗(yàn)規(guī)則對(duì)于直鏈同系物，每增加一個(gè)

-CH2-，其表面活性可增加約

3.2

倍；2025/1/15甲酸、甲醛等（酸、醛）同系物中的第一成員，因其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的特殊性，它們對(duì)

Traube

規(guī)則的偏差較大。2025/1/15第1章表面活性劑概述1.1前言1.2表面張力1.3表面活性1.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特征1.5表面活性劑的分類(lèi)1.6表面活性劑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2025/1/151.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征：雙親媒性（兩親結(jié)構(gòu)）—部分是由疏水親油的碳?xì)滏溄M成的非極性基團(tuán)，另一部分為親水疏油的極性基。這兩部分分別處于表面活性劑分子的兩端。為不對(duì)稱(chēng)的分子結(jié)構(gòu)。2025/1/151.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特征極性基團(tuán)非極性基團(tuán)

親水基（憎油基、疏油基）憎水基(親油基、疏水基)2025/1/151.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特征2025/1/151.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特征2025/1/15第1章表面活性劑概述1.1前言1.2表面張力1.3表面活性1.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5表面活性劑的分類(lèi)1.6表面活性劑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2025/1/15按離子類(lèi)型分類(lèi)按親水基的結(jié)構(gòu)分類(lèi)按疏水基的結(jié)構(gòu)分類(lèi)表面活性劑的特殊性√1.5.1表面活性劑分類(lèi)方法2025/1/151.5.2表面活性劑離子型分類(lèi)表面活性劑通常采用按化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)，分為離子型和非離子型兩大類(lèi)，離子型中又可分為陽(yáng)離子型、陰離子型和兩性型表面活性劑。顯然陽(yáng)離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會(huì)發(fā)生沉淀而失去活性作用。1.離子型2.非離子型陽(yáng)離子型陰離子型兩性型表面活性劑2025/1/151.5.2.1陰離子表面活性劑憎水基親水基憎水基親水基2025/1/15陰離子表面活性劑RCOONa

羧酸鹽R-OSO3Na

硫酸酯鹽R-SO3Na

磺酸鹽R-OPO3Na2

磷酸酯鹽1.5.2.1陰離子表面活性劑2025/1/15憎水基親水基＋憎水基親水基1.4.2.2陽(yáng)離子表面活性劑2025/1/15陽(yáng)離子表面活性劑R-NH2·HCl

伯胺鹽

CH3|R-N-HCl

仲胺鹽|H

CH3|R-N-HCl

叔胺鹽|

CH3

CH3|R-N+-CH3Cl-

季胺鹽|CH31.5.2.2陽(yáng)離子表面活性劑2025/1/15憎水基親水基1.5.2.3兩性表面活性劑2025/1/15兩性表面活性劑R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型

CH3|R-N+-CH2COO-

甜菜堿型|CH31.5.2.3兩性表面活性劑2025/1/15憎水基親水基1.5.2.4非離子表面活性劑2025/1/15R-(C6H4)-O(C2H4O)nH

烷基酚聚氧乙烯醚非離子表面活性劑R2N-(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H

多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH 脂肪醇聚氧乙烯醚1.5.2.4非離子表面活性劑2025/1/15氟表面活性劑表面活性劑硅表面活性劑聚氧丙烯碳?xì)浔砻婊钚詣?.5.3表面活性劑按疏水基分類(lèi)分類(lèi)2025/1/15高分子表面活性劑表面活性劑硅表面活性劑生物表面活性劑碳氟表面活性劑1.5.3表面活性劑按疏水基分類(lèi)冠醚性表面活性劑2025/1/15第1章表面活性劑概述1.1前言1.2表面張力1.3表面活性1.4表面活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5表面活性劑的分類(lèi)1.6表面活性劑的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2025/1/151.6.1世界表面活性劑工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r世界表面活性劑工業(yè)是在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于制皂的油脂十分匱乏而得以發(fā)展，二戰(zhàn)后形成獨(dú)立的工業(yè)體系。由于表面活性劑具有優(yōu)良的潤(rùn)濕、乳化、去污、分散及滲透特性，因此在人們的日常生活、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品、石油開(kāi)采與精制以及建筑等各方面得到廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為“工業(yè)味精”。2025/1/151.6.1世界表面活性劑工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r從品種上講，世界表面活性劑以陰離子表面活性劑為主，其中直鏈烷基苯磺酸鹽一種就占市場(chǎng)份額的30%以上；其次是非離子表面活性劑，主要品種為脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚；陽(yáng)離子表面活性劑和兩性表面活性劑的消費(fèi)量很少。目前，國(guó)外科技發(fā)達(dá)的國(guó)家的表面活性劑的品種向?qū)Ｓ眯浴⒐δ苄愿叨劝l(fā)展，理論研究