表面活性剂的应用.ppt

第六章 表面活性剂的应用 化工工艺教研室 蒋新元 2011年5月 表面活性剂的应用 n表面活性剂在工业洗涤剂中的应用 n表面活性剂在金属加工工业中的应用 n表面活性剂在粉体加工中的应用 n表面活性剂在石油工业中的应用 n表面活性剂在农业中的应用 n表面活性剂在纺织与印染工业中的应用 n表面活性剂在食品工业中的应用 n表面活性剂在浮选工业中的应用 n表面活性剂在建筑工业中的应用 n等等 6.1 在洗涤剂中的应用 n6.1.1 碱性水基金属油污清洗剂 金属经各种机械加工后，常会在表面残留一些较复杂的 油污，会影响后续加工，传统除油方法为高温碱法化学去 油法(腐蚀性强)、有机溶剂去油法(污染重)、电化学去油 法。 借助表面活性剂(借助润湿、渗透、乳化、分散、增溶 等)的弱碱性水基金属油污清洗剂具有清洗率高、腐蚀性 小、清洗温度低、无毒无污染等优点。 各种复配表面活性剂的HLB值在9.0-13.0的范围，以 脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚等非离子表面活性 剂为主，与十二烷基磷酸酯钾盐、十四醇聚氧乙烯醚、琥珀酸 单酯磺酸盐等阴离子活性剂复配而成。 6.1.2 金属材料酸洗用清洗剂 酸洗(硝酸、盐酸和硫酸)是金属材料在加工或表面处理前除去 表面氧化层和污垢的有效而必不可少的工序。但易造成腐蚀和 酸雾。 在酸洗液中加入合适的表面活性剂，可以延缓酸洗液对基体 的腐蚀，通过在酸洗中形成乳状液或悬浮液，在酸洗液的表面 生成泡沫，从而抑制酸雾的产生。 常用表面活性剂有：烷基苯磺酸盐、石油磺酸盐、脂肪醇磷 酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基苷等。 在酸性溶液中，只能使用非离子表面活性剂，在碱性溶液中 可以使用阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂及它们的复配 物。 n6.1.3 手洗餐具洗涤剂 餐具洗涤剂属于轻垢型液体洗涤剂，其主要活性物为各种(2- 3种)表面活性剂，含量大于或等于15%。 餐洗剂用的表面活性剂应满足以下要求：优良的润湿力、 乳化性和去油污性，良好的发泡性或低泡性、抑泡性，对 皮肤温和、低刺激，易于调节粘度，生物降解性好。 常用表面活性剂有：直链烷基苯磺酸盐(LAS)、 -烯烃磺酸盐 (AOS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)、脂肪醇硫酸盐(FAS)、 脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、烷醇酰胺、烷基多苷(APG)等。 除表面活性剂外的添加剂： 增稠剂：氯化钠、硫酸钠、柠檬酸钠、羟基纤维素、聚乙烯 吡咯烷酮等。 增溶剂：尿素、甲苯磺酸钠、乙醇、低级脂肪醇； 稳定剂：乙醇、丙二醇、乙二醇、酚基聚氧乙烯醚等； 螯合剂：EDTA钠盐、氮川三乙酸钠、磷酸盐等。 n金属加工工业中使用的表面活性剂品种多 ，用途广。金属的车、铣、铇、钻、磨、 抛光、轧、铸造、脱模等工序都要用到表 面活性剂，金属的防锈、防腐、润滑、电 镀及金属的酸洗、清洗、磷化处理及电子 元件的处理等工艺过程也需应用表面活性 剂。 6.2 在金属加工中的应用 6.2.1 腐蚀抑制剂(防锈剂) n包括缓蚀剂(无机缓蚀剂、有机缓剂)和防锈添加剂。 n无机缓蚀剂有铬酸盐、硝酸钠及硅酸钠、磷酸钠等， 可阻止金属离子进入溶液或在金属表面形成表面膜； 有机缓蚀剂主要指表面活性剂：单胺、二胺、酰胺、 季铵盐、咪唑啉衍生物、磷酸酯、多元醇等，同样在 金属表面上形成吸附薄膜。 n防锈添加剂：能暂时防止因大气腐蚀而引起的生锈， 大都是油溶性表面活性剂，如脂肪酸金属皂或铝、锌 金属盐，烷基萘磺酸盐，烷基苯磺酸盐，及二油酸牛 脂二胺盐、Span-80等。 6.2.2 润滑油添加剂 n润滑油主要用于降低磨擦系数、防锈等，都要借助表 面活性剂，以HLB值较低、碳链较长的油溶性表面活 性剂为主。 n润滑油使用的活性剂成分有分散剂、防蚀剂、油性剂 、增稠剂、乳化剂、清洁剂等。 n清洁剂用来防止或抑制机油中发动机中因受高温氧化 、分解而生成的淤渣、炭黑导致的油路堵塞，常用二 烷基苯磺酸盐、二烷基酚磺酸盐、水杨酸盐等； n分散剂如加有丁二酸酯的丁二酰亚胺、苄胺、琥珀酰 亚胺等，具有良好的分散低温淤渣的效果。 n增稠剂用来使油凝胶化，如硬脂酸锂皂、钙皂、铝皂 等。 6.2.3 金属切削液添加剂 金属切削、磨削加工时会产生热量，需在加工时注入 润湿冷却液增加润滑性降低切削力，并带走热量，从而 延长刀具使用寿命，提高工件光洁度，金属切削液应有 良好的润湿、冷却、防锈及耐硬水等综合性能，且稳 定、无毒无公害等。 n乳化型水溶性切削液的成分有矿物油、乳化剂如脂肪 酸皂、石油磺酸盐或非离子表面活性剂中的烷基酚聚 氧乙烯醚、三乙醇胺等，稳定剂、极压添加剂及防锈 剂(二乙醇胺、油酸三乙醇胺等)，应用时用水稀释20- 50倍。 n电镀工艺中，通常要在镀前对镀件表面的油污和锈 蚀进行除油除锈处理，在电镀过程中，还要往电镀 液中加入电镀添加剂，包括络合剂、整平剂、除杂 剂、光亮剂和表面活性剂等。 n在电镀工业中常用的表面活性剂有：琥珀酸二辛酯 磺酸钠系列、脂肪醇硫酸酯盐系列、支链脂肪醇硫 酸酯盐系列、烷基芳基磺酸盐系列、烷基萘磺酸盐 系列、烷基芳基酚醚硫酸酯盐系列、脂肪醇聚氧乙 烯醚(AEO)、壬基酚聚氧乙烯醚(OP)等。 6.2.4 电镀添加剂 n(1) 在电镀预处理中的应用 电镀前，均需对镀件进行除油、酸洗和抛光预 理，常用除油有机溶剂为煤油、汽油、苯类和氯 代烃等，在这些有机溶剂中添加少量油溶性表面 活性剂，如OP、AEO、Span-80等，均会收到较 好的去油污效果。 (2) 在电镀工艺中的应用 表面活性剂在电镀液中可用作润湿剂，能够较 好地降低电极与镀液界面间的界面张力，使镀液 易于在电极表面铺展，从而达到均匀电镀的目 的。如烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚等。 6.3 在粉体加工中的应用 粉体是大量固体细小粒子的集合体，粒子的大小 与粒度分布是粉体的重要性质，通常以比表面积来 衡量。 粉体在许多行业如涂料、塑胶、陶瓷、造纸、水 处理、日用化工、化妆品等行业有非常广泛的应 用，而超细粉体则有更广泛的领域，如化工、轻 工、能源、冶金、建材、生物、制药、电子、航空 航天、光学、通讯等领域。 超细粉体的的粒径：从微米级(5微米以下)、亚 微米级(100微米以上)的范围。 n超细粉体的传统加工方面主要是对粗粒物料用机械 力使其破碎，但无论是干法还是湿法，都存在一个 已细化物料的再团聚问题。 n在粉体制备过程中，加入表面活性剂作为助磨剂， 助磨作用主要在于表面活性剂分子吸附于颗粒表面 上，对颗粒起到软化和解聚作用，从而阻止颗粒的 团聚，还可以提高粉体的流动性，使球磨后的粉料 粒度分布均匀，粒度分布范围变窄。 n目前应用较多的是阴离子和非离子表面活性剂，如 十二烷基磺酸钠(SDS)、聚乙二醇(PEG)等。 n如ZrO2微粉制备、硫酸钡超细微粉的制备、二氧化 钛粉的制备、透明氧化铁颜料的制备。 6.4 在能源工业中的应用 n6.4.1 在三次采油中的应用 一次采油：在石油开采中，地层深处的石油首先通 过自喷或泵抽的方法被开采出来； 二次采油：在一次采油后的油井中注入水，可以进 一步从地层中驱出大量原油； 三次采油：经过一、二次采油后，原油平均采收率 为30-35%。大量的原油未能得到开采，主要的 原因之一是由于粘滞力和毛细管力的存在使得残余 原油以不连续的油块和油珠被存留在岩石孔隙中， 将地层中的原油再进一步开采出来叫做三次采油， 三次采油包括许多方法：聚合物驱油、单一的或复 合的化学药剂驱油、热法采油、微生物法采油等。 n三元复合驱油(碱/表面活性剂/聚合物)是上世纪80 年代发展起来的三次化学采油新技术，理想的复合 驱油用表面活性剂一般应具有以下特点：制成的复 合油体系与原油形成超低界面张力(10-2数量级) ，有尽可能高的稳定性，耐碱；在地层条件下吸附 滞留量要小(1mg/g油砂)；复合体系的驱油效率 要在水驱的基础上提高15%以上；采出的原油乳化 液要易破乳；无毒可低毒，保存期长。 n三次驱油常用表面活性剂：石油磺酸盐、改性木质 素磺酸盐(木质素磺酸盐和石油磺酸盐复配具有很好 的增效作用)、烷基苯磺酸盐、天然羧酸盐(由天然 油脂下脚料制得)、合成脂肪酸盐(石蜡为原料)、烷 醇酰胺表面活性剂。 n还有以下几种： n泥浆添加剂：阴离子及非离子型用于泥浆的乳化、消 泡、润滑，有平平加、Span-80、乳化剂-OP、烷 基苯磺酸钙等，润滑剂有磺酸妥尔油、十二烷基磺酸 三乙醇胺；消泡剂有甘油聚醚、硬脂酸铝、硬脂酸铅 ，发泡剂有LAS；烷基磺酸钠；降粘剂有木质素磺酸 盐等。 n减阻剂：降低泵压，改善流动性，常用烷基芳基硫酸 盐、木质素磺酸盐、萘磺酸甲醛缩合物等； n粘土稳定剂：季铵盐阳离子活性剂的防膨效果较好； n缓蚀剂：咪唑啉油酸盐、松香胺的环氧乙烷缩合物、 中性磺酸盐、季铵盐等； n原油输送减阻剂，流动改进剂，降粘剂，降凝剂，等 n等等 n6.4.2 原油破乳剂 n原油经过开采后，由于乳化剂的存在及运输过程中原油与所含 水的剧烈混合，易形成比较稳定的乳状液，但原油必须经过脱 水和脱盐后才能进行后续的提炼加工。原油的脱水实际上是一 个原油的破乳过程，原油破乳剂是原油脱水必不可少的药剂。 n最早使用的破乳剂是烧碱、羧酸盐等普通皂类以及氧化煤油和 柴油等，但破乳效率一般。 n非离子表面活性剂用于原油破乳和脱水，效率高，得到广泛应 用。非离子表面活性剂是以醇类、酚类和胺类(如十八醇、乙二 醇、丙三醇、壬基酚、辛基酚、异丁基酚、多乙烯多胺)，在一 定条件下与大量的环氧乙烷和环氧丙烷发生加聚反应而制得的 。 n6.4.3 石油处理剂 是将溢出及排出的油品严密地进行化学处理 以防污染环境的药剂，其中包括集油剂、沉降 剂、凝固剂、乳化分散剂等。 石油处理剂常为溶剂和活性剂的混合物，活 性剂应具有良好乳化性，对水生物毒性低，对 溶剂相容性好，生物降解性好等特点。 常用表面活性剂有：烷基苯磺酸盐、烷基酚 聚氧乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙 烯酯、失水山梨醇聚氧乙烯脂肪酸酯等。 6.4.4 燃料油品添加剂 n包括性能改进添加剂和防护性添加剂两类。 n性能改进添加剂用于抗爆、提高十六烷值、清 净分散、防冰、防积炭、改善流动性和改进燃 烧等，如用作清净分散剂的咪唑啉、琥珀酰亚 胺、脂肪胺类表面活性剂；防冰剂有2-十七 烷基-1-羟乙基咪唑啉、十七烷基二乙醇酰胺 等。 n防护性添加剂用于改善油品的贮存和运输性能 ，如抗氧化、防胶粘、防腐、金属钝化、抗静 电等，抗静电剂如油酸钙、羧酸和聚羧酸铵盐 等，助燃剂有溶于油品的脂肪酸皂化物(钙、 镁等)等。 n还有煤-水分散体系(水煤浆)的分散剂：如萘 磺酸盐甲基缩合物、木质素磺酸盐等； n防止煤运输粉尘、建筑施工等的除尘剂：烷 基苯磺酸系、烷基硫酸盐系、木质素磺酸盐 等阴离子活性剂。 6.5 在农业上的应用 6.5.1 农药、除草 n乳化剂和增溶剂 农药乳剂一般是由农药、乳化剂和溶剂组成，乳化和增溶剂 是农药的重要组成，常用农药乳化剂有蓖麻油聚氧乙烯醚、壬基 酚聚氧乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚等非离子表面活性剂，阴离子表 面 活性剂一般使用烷基苯磺酸钙，制备的是O/W型，用量为5% - 10%； 展着剂：在植物或害虫的表面上，往往覆盖一层蜡质或纤维 物质，使农药难以渗透进去，须有良好的表面活性剂使农药渗 透、扩展和固着在植物或害虫上，常用非离子表面活性剂有：辛 基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚和脂肪醇醚等表面活性剂， 它们与阿拉伯胶、羧甲基纤维素等固着剂配合，再加入分散性强 的萘磺酸盐甲醛缩合物、木质素磺酸盐等配制而成。 n6.5.2 肥料 表面活性剂在化肥工业中的应用，主是是作为防止 肥料结块的防结块剂和促进作物生长。 表面活性剂防结块剂对肥料的选择性较强。 如常用阴离子表面活性剂烷基苯磺酸盐、烷基硫酸 盐、烷基萘磺酸盐等对硫胺、硝胺有防结块作用，这些 阴离子表面活性剂与膨润土、高岭土等作用，可有效防 止尿素及复合肥料的结块； 阳离子表面活性剂中的烷基胺盐可防止硝胺结块； 非离子表面活性剂只有HLB特别低的失水山梨醇脂 肪酸酯、脂肪酸甘油酯等才有防结块效果。 低浓度表面活性剂有促进作物生长作用，但随着浓 度的提高，渐呈现出毒性。 6.6 在纺织与印染工业中的应用 6.6.1 棉毛织物的洗净剂、润湿剂等 n棉纤维原料表面附有蜡、果胶、色素，并混有许多杂质，染色前 应洗净，用碱液煮炼时加入少量表面活性剂如拉开粉、润湿剂 613、MES(脂肪酸甲酯磺酸盐)、JFC(脂肪醇醚)等，以提高煮 炼液对纤维的润湿、渗透、促使煮炼易于进行。 n棉纱在织造前还需上浆以增强纱线的抱合力和平滑性，减少磨擦 。为使浆料及平滑剂迅速渗入纤维内部，要加入非离子表面活性 剂，以增强其渗透性。染色时为防止不匀，要加入阴离子表面活 性剂及非离子表面活性剂，使浆料被润湿、乳化而除去(退浆)。 n棉布退浆后仍残留的杂质及浆料还要通过加入表面活性剂如净洗 剂LS、平平加O(脂肪醇聚氧乙烯醚，C16-18)、209等的煮炼 液煮炼除去。 n棉织物的整理如丝光整理、柔软整理、防皱整理、 抗油防水整理、防脆整理等，都离不开表面活性剂 ， n如柔软整理剂，大都采用阳离子表面活性剂如叔胺 盐、季铵盐等，但不能与阴离子表面活性剂共用； n防水整理剂如含氟烷基聚丙烯酸酯、硬脂酸酰胺亚 甲基吡啶氯化物等； n防皱剂可使用有机硅； n防油整理常用全氟烷基形成低能表面-CF2-基表面， 既防油也防水。 n羊毛织物在缩呢、防皱、柔软整理中常用非离子或 阳离子表面活性剂。 6.6.2 印染助剂 n表面活性剂是印染工业的重要助剂，它能提高色料对 纤维的渗透性或使难溶染料在水中增溶分散，使染色 均匀、完全，这类助剂有匀染剂、缓染剂、促染剂、 固色剂、牢度促进剂等。表面活性剂的加入可促使织 物染色均匀、缓染或移染，不会产生染花等现象。 n合成纤维在染色时往往不均匀，表面活性剂在使染料 和颜料增溶分散方面有重要作用，如聚酯纤维在染色 时可使用阴离子表面活性剂作为分散剂，如采用非离 子表面活性剂与阴离子型复配，如平平加O、扩散剂N 和木质素磺酸钠、209洗涤剂等相复配效果较好。 n锦纶染色所用匀染剂有阴离子型，如AES、LAS，两 性离子型和季铵盐及混合型，如扩散剂N、LAS、醇 醚等混合物。 6.7 在食品工业中的应用 n食品工业中表面活性剂主要用途是作为乳化剂、起泡剂、消泡剂 、润湿剂、分散剂、增稠剂、结晶防止剂、抗菌剂、抗氧化剂等 。 n(1)乳化剂：使食品各成分混合均匀，改善食品的组织结构、口 感，提高食品的质量和贮存性，主要是非离子表面活性剂，其中 天然乳化剂如大豆磷脂及脂肪酸多元酯与其衍生物的应用最广泛 ，如甘油脂肪酸单酯、脂肪酸丙二醇酯、失水山梨醇酯(单棕榈 酸酯和单硬脂酸酯)、脂肪酸蔗糖酯、烷基多苷、大豆磷脂等； n(2)消泡剂：主要使用单油酸甘油酯、失水山梨醇单油酸酯，不 饱和性植物油如豆油、棉籽油、菜籽油等。有些食品需加入发泡 剂(要求对人体无害)，常用蛋白质衍生物、卵蛋白、乳清蛋白、 明胶等天然蛋白质，阿拉伯树胶、纤维素衍生物、蔗糖脂肪酸酯 、单硬脂酸失水山梨醇酯等均具有优良的稳泡性。 (3)质量改进剂： n单饱和脂肪酸甘油酯可防止面包饼干的老化，改进通心 粉的粘度，单饱和脂肪酸甘油酯和脂肪酸丙二醇酯的混 合物可改进糕点的容积和纹层，蔗糖酯、Span-80等 可用作油脂晶形的结晶调整剂，延缓晶形变化，以利于 食品的味感。 (4)增稠剂、保鲜剂 n增稠剂可增加食品的稠度，使食品润滑可口，还有胶 凝、稳定和保水作用，常用的有明胶、果胶、海藻酸 钠、变性淀粉、羧甲基纤维素、阿拉伯树胶、黄原胶等； n与表面活性剂有关的保鲜剂如乙酰化单甘油酯可涂覆肉 类形成薄膜，保持肉类自然色泽与鲜度，蔗糖酯可用作 鸡蛋表面涂剂，使鸡蛋呼吸作用减弱，延长保鲜时间。 (5)水果、蔬菜、鱼类清洗剂，如前。 6.8 在建筑工业中的应用 n混凝土是建筑工业的重要材料，目前随着特大型或特高型建筑 的发展，如大型水利设施、大跨度桥梁、特高层大楼、高速公 路等，通常通过添加混凝土外加剂(如减水剂、缓凝剂、速凝 剂、防冻剂、引气剂等)的方法改善混凝土性能，如调节水泥 凝结时间、提高混凝土强度、改善混凝土抗冻融性能等。 n(1)减水剂：混凝土硬化后的强度与拌和水泥浆的用水量有关 ，通过使用减水剂以减少用水量，可提高混凝土强度，减水剂 有普通减水剂，减水率在12%以下，如木质素磺酸盐，高效 减水剂减水率在12%以上，如改性木质素磺酸盐、萘磺酸甲 醛缩合物、三聚氰胺甲醛缩合物等； n(2)缓凝剂：普通硅酸盐水泥的凝结时间比较短，为适应商品 混凝土及施工时间的需要，通常加入缓凝剂，如木质素、葡萄 糖酸、多元醇、柠檬酸等均有显著延缓水泥硬化的作用； (3)加气剂或引气剂 n为提高混凝土的施工性和耐久性，常在混凝土中加 入许多细小而分散均匀的气泡添加剂，加气剂的作 用在于能降低混凝土搅拌和施工时泛浆、减少混凝 土的材料离析，改善因冻融引起的混凝土破坏、防 止坍落度损失以及提高抗渗水性。 n气泡在砂和石子之间起类似滚动轴承的作用，对于 粒径为0.15-1.0mm砂子，效果最好。由于泛浆少 ，骨料的孔隙少，气泡全部分散在水泥浆中，从而 提高了抗渗水性和耐久性。例如加气4%，可减水 6%-10%，强度可提高10%。 n不少阴离子表面活性剂可以用作加气剂，如松香皂 、脂肪酸钠盐、十二醇硫酸钠、烷基苯磺酸钠、醇 醚硫酸盐、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸盐等，皂素提取 液也可用作混凝土的加气剂。 (4)沥青乳液 沥青主要用于建筑物保护、道路工程、铁路路面处理 、 木材防腐处理等。沥青在常温下呈固态或半固态，使用时 必须处理为沥青液，过去常用熔化法或溶剂法，需要高温 或使用有机溶剂，不利于劳动保护，使用乳化沥青可以在 常温下甚至雨天或冬季使用，无臭无毒，凝结时间快、设 备简单等。 沥青乳液是水包油乳状液，约由50%-60%沥青， 40%-50%水和0.1%-3%乳化剂组成，制造时先将固体 沥青加热至130-140熔化，乳化剂用80-90水加热 溶解后用均质器或搅拌器混合均匀，为使乳液稳定，一般 还加入明胶、木质素、聚乙烯醇、阿拉伯树胶等作助剂， 对阳离子活性剂乳化剂来说，还需加入氯化钙之类的电解 质，使贮存更加稳定。 道路铺设用沥青乳化剂常用胺类阳离子表面活性 剂，其中以烷基丙撑二胺乳化剂最为常用，三甲基季 铵盐的乳化能力也较好；阴离子活性剂作为沥青乳化 剂仅用在铺洒干燥的石料及碱性石料如石灰石，使用 时且需添加少量非离子活性剂，而在雨季或冬季，或 对酸性石料如花岗石等粘结不牢，故应用上有局限。 6.9 在造纸工业中的应用 n6.9.1 分散松香施胶剂的制备 n造纸工业上，除特殊的生活用纸外，几乎所有的纸张都 需要施胶，目的是提高纸品的耐水度，使纤维制品具有 所需要的使用性能，以控制水、墨水、牛奶、果汁等液 体的渗透，故施胶剂成为造纸工业中不可缺少的重要原 料。 n松香是造纸厂用量较大使用最为广泛的一种浆内施胶剂 ，占全部施胶剂的80%以上。有资料统计，天然松香 50%都被用于造纸工业。松香中90%以上是树脂酸， 分子式是C19H29COOH，其余10%左右是这些酸的酯 、脂肪酸、及一些不能皂化的物质。 (1)阴离子型分散松香的制备 将阴离子表面活性剂乳化剂(十二烷基苯磺酸钠或十四烷基苯 磺酸钠)、松香和水在140-150的温度下充分搅拌混合，乳化剂的 用量为松香质量的5%，搅拌速度为1400r/min，在搅拌下将混合 物料快速冷却到10