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科普专栏 / Information

表面活性剂基础知识

简介

表面活性剂(surfactant),是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质,它由两种截然不同的粒子形成的分子,一种粒子具有极强的亲油性,另一种则具有极强的亲水性。溶解于水中以后,表面活性剂能降低水的表面张力,并提高有机化合物的可溶性。

两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接,形成了一种不对称的、极性的结构,因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油,但又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”(amphiphilic structure),表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”。根据所需要的性质和具体应用场合不同,有时要求表面活性剂具有不同的亲水亲油结构和相对密度。通过变换亲水基或亲油基种类、所占份额及在分子结构中的位置,可以达到所需亲水亲油平衡的目的。

分类

表面活性剂的分类方法很多,根据疏水基结构进行分类,分直链、支链、芳香链、含氟长链等;根据亲水基进行分类,亲水基团常为极性基团,如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐,羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团。有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等,还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。但是众多分类方法都有其局限性,很难将表面活性剂合适定位,并在概念内涵上不发生重叠。

人们一般都认为按照它的化学结构来分比较合适。即当表面活性剂溶解于水后,根据是否生成离子及其电性,分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。

1、阴离子表面活性剂:硬脂酸,十二烷基苯磺酸钠SDBS。系高级脂肪酸的盐,通式:(RCOO-)nM。脂肪酸烃R一般为11-17个碳的长链,常见有硬脂酸、油酸、月桂酸。根据M代表的物质不同,又可分为碱金属皂、碱土金属皂和有机胺皂。它们均有良好的乳化性能和分散油的能力。但易被破坏,碱金属皂还可被钙、镁盐破坏,电解质亦可使之盐析。

2、阳离子表面活性剂:季铵化物,例如十六烷基三甲基溴化铵CTAB。其分子结构主要部分是一个五价氮原子,所以也称为季铵化合物。其特点是水溶性大,在酸性与碱性溶液中较稳定,具有良好的表面活性作用和杀菌作用。

3、两性离子表面活性剂:卵磷脂,氨基酸型,甜菜碱型

4、非离子表面活性剂:脂肪酸甘油酯,脂肪酸山梨坦(司盘),聚山梨酯(吐温)。非离子表面活性剂溶于水时不发生解离,其分子中的亲油基团与离子型表面活性剂的亲油基团大致相同,其亲水基团主要是由具有一定数量的含氧基团(如羟基和聚氧乙烯链)构成。由于非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在,所以它的稳定性高,不易受强电解质存在的影响,也不易受酸、碱的影响,与其他类型表面活性剂能混合使用,相容性好,在各种溶剂中均有良好的溶解性,在固体表面上不发生强烈吸附。

HLB

HLB值(Hydrophile-Lipophile Balance Number)称亲水疏水平衡值,也称水油度。1949年由 W.C.Griffin 率先提出HLB值论点,说明表面活性剂分子中的亲水基团与亲油基团的平衡关系。在HLB中H”Hydrophile” 表示亲水性,L为”Lipophilic”表示亲油性,B是”Balance”表示平衡的意思。

HLB=亲水基的亲水性/亲油基的亲油性

表面活性剂的亲油或亲水程度可以用HLB值的大小判别,HLB值越大代表亲水性越强,HLB值越小代表亲油性越强,1949 年 Griffin 提出了 HLB 值的概念,将非离子表面活性剂的HLB值的范围定为 0~20,将疏水性最大的完全由饱和烷烃基组成的石蜡的HLB值定为0,将亲水性最大的完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的HLB值定为20,其他的表面活性剂的 HLB 值则介于0~20之间。HLB值越大,其亲水性越强,HLB值越小,其亲油性越强。亲水亲油转折点HLB为10。HLB小于10为亲油性,大于10为亲水性。

1~3作消泡剂;3~6作W/O型乳化剂;7~9作润湿剂;8~18作O/W型乳化剂;13~15作去污剂;15~18作增溶剂。

水溶解性法是估计HLB约值的常用方法,十分简便快捷。加入到水中后的性质 HLB值范围:不分散 1~4;分散不好 3~6;激烈震荡后成乳状分散体 6~8;稳定的乳白色分散体 8~10;半透明至透明分散体 10~13;透明溶液 >13。

胶束

表面活性剂溶于水中,当其浓度较低时呈单分子分散或被吸附在溶液的表面上而降低表面张力。当表面活性剂的浓度增加至溶液表面已经饱和而不能再吸附时,表面活性剂的分子即开始转入溶液内部,由于表面活性剂分子的疏水部分与水的亲和力较小,而疏水部分之间的吸引力较大,当达到一定浓度时,许多表面活性剂分子(一般50~150个)的疏水部分便相互吸引,缔合在一起,形成缔合体,这种缔合体称为胶团或胶束,胶团有各种形状,如球形,层状,棒状。

临界胶束浓度CMC

表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构,亲水基团使分子有进入水中的趋势,而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移,有逃逸水相的倾向。这两种倾向平衡的结果使表面活性剂在水表富集,亲水基伸向水中,憎水基伸向空气,其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖,从而导致水的表面张力下降。

表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层,当表面吸附达到饱和时,表面活性剂分子不能在表面继续富集,而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃离水环境,于是表面活性剂分子则在溶液内部自聚,即疏水基聚集在一起形成内核,亲水基朝外与水接触形成外壳,组成最简单的胶团。而开始形成胶团时的表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度,简称CMC。

当溶液达到临界胶束浓度时,溶液的表面张力降至最低值 ,此时再提高表面活性剂浓度,溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团,此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力,用CMC表示。

低泡表面活性剂的种类与性能介绍

1. 表面活性剂泡沫形成原因
当表面活性剂和水混合时,亲水性的一端会溶于水中,疏水基的一端则会脱离水,聚集在水面。在水面的表面活性剂,疏水基会离开水面,进入空气中,亲水基溶于水,并排在水面上。当搅动水时,会将空气进入水中,此时疏水基会包住空气,成为汽泡。一般而论,阴离子和阳离子表面活性剂泡沫最高,非离子表面活性剂泡沫相对低些。

在大多数的工艺里面,泡沫带来的都是负面影响,就是说我们追求的低泡和无泡的表面活性剂。但在某些领域,却恰恰相反,如日用化学品,沐浴露洗面奶等,追求的就是泡沫多,泡沫细腻;再如造纸脱墨领域的浮选脱墨,也需要表面活性剂有良好的发泡性能。

2. 具有清洗功能的低泡表面活性剂
在讨论低泡表面活性剂时,必须先说明使用的条件、工艺等,表面活性剂的泡沫除了与自身结构有关,还与水的硬度、使用温度、酸碱pH值、压力等有诸多联系。

2.1 肥皂
肥皂在硬水的使用条件下,可以称之为低泡沫的表面活性剂。有些时候可以用肥皂来检验和区分软水和硬水,泡沫多的为软水,泡沫少的为硬水。主要是因为在硬水里面,肥皂会结合钙镁离子形成不溶于水的钙皂或镁皂,在泡沫的表面容易形成缺口,导致泡沫破裂。

2.2 脂肪醇的EO/PO嵌段的聚氧乙烯醚
众所周知,脂肪醇与EO(环氧乙烷)缩合加成,即AEO系列,引入亲水性的EO基团,会获得极佳的润湿、乳化、净洗以及高泡沫的性能。而PO环氧丙烷则是憎水基团,引入环氧丙烷可以有效的降低所形成的泡沫表面的表面张力,导致泡沫破裂并消失。但是引入PO不可避免的降低EO的含量,从而降低表面活性剂的乳化、分散等去污性能。所以对于EOPO嵌段聚醚,其乳化、分散等净洗功能与低泡必定是相互矛盾的。泡沫越低,其它性能就会越差。

2.3 脂肪酸甲酯乙氧基化物及其衍生物
脂肪酸甲酯,特别是18碳的硬脂酸甲酯,本身也是一种消泡剂,所以18碳硬脂酸甲酯为原料的表面活性剂也相应的会具有低泡沫的性能,并且这种低泡的性能不像EOPO嵌段聚醚是以损失其净洗性能为代价的,因此是颇有实际应用价值的低泡沫净洗剂。

2.4 低碳链的脂肪醇醚及其衍生物
低碳链的脂肪醇具有一定的消泡功能,因此,以低碳链脂肪醇为原料的表面活性剂,也相应的具有低泡沫的特性,最常见的为异辛醇聚氧乙烯醚、异辛醇的磷酸酯和异辛醇醚的磷酸酯都具有低泡沫的特性。但是低碳链的脂肪醇衍生物往往只具有渗透性,其它的性能则较差,从而限制了其应用范围。

参考资料
1. 百度百科,“表面活性剂”词条,
2. Wikipedia,“surfactant”,
3. 小木虫论坛,“低泡表面活性剂的种类与性能介绍”,作者: beida1boshi