表面活性剂

    表面活性剂 : 表面活性剂是这样一类物质,它在 加入很少量时即能大大降低溶剂的表面 (界 面)张力 (一般以水为标准溶剂)和液-液界 面张力,并具有一定特殊结构、亲水亲油特 性和特殊吸附性能的物质。表面活性剂分子 都是双亲化合物,分子具有不对称结构。其 分子由易溶于水的亲水基和不溶于水而易溶 于油的亲油基,即疏水基组成(如图1所示)。

图1 表面活性剂结构示意图

图2 表面活性剂分类系统

在表面活性剂科学中广泛采用的是按照 它的化学结构分类。首先是按亲水基的类型, 即电性质分为离子型和非离子型。离子型又 分为阳离子型、阴离子型和两性型。此外还 有近年来发展较快的、即有离子型亲水基、又 有非离子型亲水基的混合型表面活性剂。
①阴离子型 具有带负电的极性基,主 要有羧酸盐 (RCOO^-M⁺)、磺酸盐 (RSO₃^-M⁺)、硫酸酯盐(ROSO₃^-M⁺)、磷酸 盐 (ROPO₃^-M⁺)等。
②阳离子型 具有带正电的极性基,主 要有季铵盐 (RNR′₃⁺ A^-)、烷基吡啶盐 (RC₅H₅N⁺A^-)、胺盐 (R_nNH_m⁺A^-,m= 1～3,n=1～3,几个R基可以不同) 及杂 环等。
③非离子型 它的极性基不带电,主要 有聚氧乙烯类化合物[RO (C₂H₄O)_nH]、亚 砜类化合物 (RSOR′)、氮氧化合物 (RNO) 以及多元醇类化合物(如庶糖、山梨糖醇、甘 油、乙二醇等衍生物) 等。还包括聚氧乙烯 和聚氧丙烯构成的聚醚型表面活性剂。
④两性型 这类表面活性剂分子中带有 两个亲水基团,一个带正电,一个带负电。其 中的正电基团主要是胺基和季铵盐,负电基 团主要是羧基和磺酸基。胺基丙酸、咪唑啉、 甜菜碱、牛磺酸四种是最主要的两性离子型 表面活性剂。
⑤混合型 这类表面活性剂分子中带有 两种亲水基团,一个带电,一个不带电。最常用 的是醇醚硫酸盐R(C₂H₄O)_nSO₄Na及醇醚羧酸 盐R(C₂H₄O)_nCH₂COONa。按疏水基的区别, 表面活性剂主要有以下几种类型。
(a) 碳氢表面活性剂,以碳氢基团为疏 水基。主要来源有下面几种。
脂肪酸 由三酸甘油酯水解而来,最常 见的是碳链长度为12～18碳原子的脂肪酸。
石蜡 来自石油,主要有碳原子数为 10～20的饱和碳氢化合物,通常混有分支异 构体及芳烃。
烯烃 通常是由乙烯或丙烯齐聚或石油 高分子馏分裂解得到的碳原子数为10～20 的烯烃,包括双键位于末端的α-烯烃和一般 烯烃。
烷基苯 由烯烃和苯反应得到,通常烷 基链长为8～12碳原子。
醇 碳链长度为8～18的醇可由催化水 解脂肪酸得到,也可由乙烯齐聚体氧化而来。
烷基酚 由酚与烯烃反应得到。通常是 各种同系物和同分异构体的混合物。
(b) 聚氧丙烯,由环氧丙烷齐聚得到, 主要用来与环氧乙烷一起制备聚合型表面活 性剂。
(c) 氟表面活性剂,以碳氟链为疏水基。 制备方法有二种:一是电解脂肪酸氟化物,使 氟取代脂肪酸碳氢链上的氢,形成碳氟链化 合物;一是由含氟烯烃如四氟乙烯聚合而来。
(d)硅表面活性剂,以硅氧链为疏水基, 主要是二甲硅烷的聚合物。
表面活性剂的分类系统如图2。
表面活性剂的溶液特征如图3。表面活 性剂的亲水亲油特性赋予它易于吸附,定向 于物质表面 (界面),而表现出能降低表面 (界面)张力、渗透、润湿、乳化、分散、增 溶、发泡、消泡、洗涤、杀菌、润滑、柔软、 拒水、抗静电、防腐等一系列性能。这些特 性使它广泛用于合成洗涤剂、化妆品、食品 工业,乃至纺织工业、皮革工业、橡胶、塑 料工业、土木建筑业、涂料、油墨工业、金 属加工工业、石油、燃料工业、采矿业、煤 炭工业、造纸工业、农林业以及医疗卫生、环 境保护等部门。

图3 为表面活性剂溶液特征示意图

例如表1反映了部分表面活性剂的分子中 的疏水基和亲水基的相对位置与性能和应用的 关系。表2说明了具有不同的HLB值(亲水亲 油平衡值)的非离子表面活性剂的功能特点。

表1 表面活性剂中疏水基亲水基相对位置与性能、应用关系

结 构	性能应用	表面活性剂举例
(1)短疏水基,有一个亲水基 在链的末端	润湿剂、泡沫剂	①低分子脂肪酸盐类
	无去污能力	②低级脂肪醇的硫酸盐类 ③松香酸肥皂
(2)长疏水基,有一个亲水基 在链的末端	清洗剂 泡沫剂	①高分子脂肪酸盐类 ②环氧乙烷缩合物的磺化 酯类
	润湿剂

续表

结 构	性能应用	表面活性剂举例
(3)长疏水基,有一亲水基在 链的中间	润湿剂 泡沫剂 清洗剂	①磺化蓖麻油酸酯 ②内油酰硫酸盐类
(4)长疏水基,有两个亲水 基,一个在链的末端,一个在链 的中间。	分散剂	①磺化油酸酯和磺化蓖麻油 酸酯类
	无去污力	②油醇的二硫酸盐类
(5)长疏水基,有两个亲水基 处于离链的两端若干距离处	分散剂 无去污力和润湿力	封闭了的蓖麻油二磺化酯
(6)长疏水基,有三个亲水 基,一个在链的末端,两个在链 的中段	分散剂 无去污力和润湿力	蓖麻油的二磺化酯

表2 非离子表面活性剂的HLB值 与其功能特点对应关系

HLB值	功 能
3.5～6.0	油包水(W/O)型 乳化剂
8～18	水包油(O/W)型 乳化剂
1.5～3.0 7.0～9.0 13～15 15～18	消泡剂 润湿剂 洗涤剂 加溶剂