胶 体 与 界 面 化 学.doc

胶体与界面化学胶 体 与 界 面 化 学中北大学化工与环境学院 李丹福摘要：介绍了胶体与界面化学的历史与发展和我国胶体与界面化学发展，还着重介绍了表面活性剂的发展与应用。关键字：胶体与界面化学 表面活性剂 发展 应用1 前 言胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学，与能源、材料、生物、化学制造和环境科学有着密切的关系，并渗透到国民经济的各个领域中。所涉及到其中的一些重大科学问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、浆体的管道运输、人造血浆、药物缓释与定向、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关，因此在社会与经济可持续发展中具有重要地位1。胶体与界面化学是一门古老的科学。他的历史比较一致的看法是从1862年开始的，创始人是英国科学家Thomas Graham，他系统研究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体（colloid）的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的事实，如溶胶（sol）、凝胶（gel）、胶溶（peptizatiion）、渗析(dialysis)、离浆（syneresis）。尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但是胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从1903年开始的，这时Zsigmondy（德）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。1965年召开的美国第39届胶体与表面科学会议，共有文章44篇，其中7篇来自国外；1975年的第49届会议，共有文章154篇，其中70篇来自国外；1985年的第50届和第5届国际表面和界面科学会议，共有708篇文章，其中一半来自国外，有1000人参加。从这些数字可以看出，胶体与表面科学在这二十年处于一个十分活跃的蓬勃发展的阶段。近年来，由于实验技术的不断发展（像超离心机、光散射、X射线、多种电子显像镜、红外线以及各种能谱等的应用），又使胶体和表面化学在微观研究中跃进了一大步。23我国胶体与界面化学的发展基本上是从解放后开始的，著名的化学家傅鹰院士是我国胶体与界面化学的主要奠基人，其对吸附理论的研究在国际上达到了很高的水平。改革开放以来，特别是1982年以来的30年，我国胶体与界面化学学科得到了长足的发展，进10年发展尤为迅猛。1983年成立了中国化学会物理化学专业委员会胶体与界面化学学科组，该学科经过了23年的建设和发展，于2006年升格为胶体与界面化学专业委员会。1983年召开了第一届全国胶体与界面化学会议，迄今已经举行过13届了，从历年全国胶体与界面化学会议的与会代表数可以看出，30年来我国的胶体与界面化学处于蓬勃发展的阶段，大批的青年学者加入到胶体与界面化学的科研队伍中，一批胶体与界面化学学者在国际上已经具有影响，一批研究突破已经引起国际同行的密切关注和认可。2006年10月15日至20日，第12届国际界面与胶体科学大会在北京国际会议中心隆重举行。本次会议充分代表了国际胶体与界面化学学科的研究水平，展示了各国学者的研究成果和最新进展，也是对中国胶体与界面科学家研究水平重视和承认的例证。 社会的需要推动着这门学科的发展，我仅举表面活性剂的发展来说明这个问题。表面活性剂是指能以较低的浓度就能显著降低溶剂表面张力的物质，其分子结构有着共同的特点，即分子都是由非极性的憎水基与极性的亲水基两部分构成，结构与性能截然相反的分子碎片或基团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。因而这类分子具有既亲水又亲油，但又不是整体亲水或亲油的特性，这种特有结构通常被称之为“双亲结构”。2 表面活性剂的分类表面活性剂按分子结构和性质可以分为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和其他表面活性剂。通常使用的表而活性剂，其憎水基是碳氢烃基，分子中还可能含有氧、氮、硫、氯、溴和碘等元素，称为碳氢表面活性剂或普通表面活性剂。含有氟、硅、磷和硼等元素的表面活性剂则称为特种表面活性剂。由于氟、硅、磷和硼等元素的引入而赋予表面活性剂更独特、优异的性能。含氟表面活性剂是特种表而活性剂中最重要的品种之一。452.1 阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂是亲水基为阴离子部分的表面活性剂，是由疏水性的阴离子与亲水性的阳离子形成的盐类。其中磺酸盐型和硫酸(酯)盐型阴离子表面活性剂产量最大，应用最广。最主要的磺酸盐生产工艺为磺氧化、氯磺化和磺化工艺。磺化反应器是生产磺酸盐/硫酸(酯)盐型阴离子表面活性剂的关键设备。2.2非离子表面活性剂非离子表面活性剂是在水中不解离的表面活性剂，它不受水质的影响，性质稳定，有良好的乳化、润湿、分散、助溶等性能。其按分子结构可分为聚氧乙烯衍生物、聚醚、烷基醇酰胺、脂肪酸多元醇酯和烷基多苷等。聚氧乙烯衍生物又可按疏水基原料的不同分为脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯酰胺、烷基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪胺、叶温和其他聚氧乙烯系非离子表面活性剂等系列。多元醇酯可根据亲水基不同而分为：脂肪酸乙二醇酯、季戊四醇(和丁四醇)的脂肪酸酯、单脂肪酸甘油酯(单甘酯)、失水山梨醇(或称山梨酐)的脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯和其他多元醇的脂肪酸酯等。但无论从生产规模和品种数量看，聚氧乙烯衍生物都占主导地位，其主要生产技术是乙氧基化技术。2.3阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂是亲水基为阳离子的表面活性剂，目前其绝大多数仍为季铵盐类化合物，基本原料为脂肪胺(同时也是两性表面活性剂的主要原料)，阳离子表而活性剂或脂肪胺衍生物主要以天然油脂为原料制得，其次主要由石油化工原料制得。脂肪胺的产量可视为衡量阳离子表面活性剂发展的依据，目前生产脂肪胺的工艺路线按原料分主要有脂肪酸、油脂、醇和一烯烃4种。2.4两性表面活性剂两性表面活性剂是一个分子上同时带有正负电荷，并能互相中和而使其具有两种离子性质的表面活性剂，按化学结构可分为：甜菜碱型；氨基酸型；磷酸酯型；咪唑啉型；其他，如高分子、杂原子类等两性表面活性剂。两性表面活性剂近年来发展速度最快(年增长率约7%8%)，远远超过阴离子表面活性剂(2%3%)、非离子表面活性剂(4%5%)及阳离子表面活性剂(5%)。两性表面活性剂以其独特的多功能性著称，主要特性有：低毒性和对皮肤、眼睛的低刺激性；极好的耐硬水性和耐高浓度电解质性，甚至在海水中也可以有效地使用；良好的生物降解性；对织物有优异的柔软平滑性和抗静电性；有一定的杀菌性和抑霉性，良好的乳化性和分散性；可与几乎所有其他类型表面活性剂的配伍性，通常会有增效的协同效应；可以吸附在带负电荷或正电荷的物质表面上，而不生成憎水薄层，因此有很好的润湿性和发泡性。2.5其他表面活性剂自然界中糖苷、动物蛋白、动物胶等都具有表面活性，但是作用机制还不清楚，所以又称为性质不明的表面活性剂。此类表面活性剂的性能虽然不够理想，但在自然界广泛存在，可以加以利用。6103 表面活性剂的应用表面活性剂的应用范围很广，其应用领域包括洗涤剂和化妆品工业、农药、石油工业、纺织工业、金属工业、涂料、油漆、塑料工业、食品工业等。以下就几个方面进行叙述。3.1在洗涤剂和化妆品中的应用表面活性剂是洗涤剂的主要成分，它与污垢和在污垢与固体表面之间发生一系列的物理化学作用（如：乳化、润湿、分散、助溶等），并借助于机械搅拌获得洗涤效果。用得最多、最广泛的是阴离子和非离子表面活性剂，而阳离子和两性表面活性剂只是在某些特殊类型和功能的洗涤剂生产中才使用。表面活性剂同样也广泛应用于各类化妆品中作乳化剂、渗透剂、洗涤剂、柔软剂、润湿剂、杀菌剂、分散剂、增溶剂、抗静电剂、染发剂等。非离子表面活性剂由于不刺激且和其他组分易相容，在化妆品中最常用，一般多为一些脂肪酸酯类和聚醚。3.2在农药中的应用表面活性剂通过界面膜发生作用，改善农药加工和使用性能。表面活性剂可以在各种类型的界而上发生吸附，改变界而状态，从而实现或改善界而物理化学特性，增强产品的功能。在农药加工过程中，表面活性剂吸附于农药微粒表面形成小同的分散体系，起到乳化、润湿、增溶、消泡、起泡、稳定等作用；在农药使用过程中，表面活性剂可以改善药液在植物叶面或防治对象表面上的分布、附着、渗透等，提高农药剂量的有效转移，直接或间接地提高农药的有效利用率。3.3在石油工业中的应用在石油开采（EOR）中，表面活性剂驱往往不是石油一种表面活性剂，而是由复合表面活性剂、聚合物、助剂等组成的配合体系，只有互相配合才能提高石油开采率。3.4在食品工业中的应用食品工业用表面活性剂可用食品添加剂、风味剂、清洗剂和乳化剂等。制造冰激凌和焙烤食品时改善空气包入导致多孔结构，使体积增大；生产甜菜糖时作消泡剂用；制造巧克力时用来降低粘度；通过乳化剂/水体系形成凝胶，提高粘度；保持表面无菌无残留物用的洗涤剂；鼠李糖可以生产香料，也可以作食品添加剂加入高档咖啡、饮料、面包、肉制品中。食品工业用的乳化剂主要是脂肪酸甘油酯、乙酸、乳酸和酒石酸或柠檬酸的甘油酯，也常用聚丙二醇、山梨醇、聚甘油或蔗糖的脂肪酸酯。11174 表面活性剂的发展趋势表面活性剂的发展方向将表现在一下几个方面：回归天然；代替有害化学品；能有效处理废液废水、粉尘等的环保型表面活性剂；多功能表面活性剂；以生物工程为基础，利用废弃物制备表面活性剂；用复配技术生产协同效应的高效表面活性剂。5 结语随着人们生活水平的提高和工业进一步的发展，表面活性剂的应用领域必将逐步拓宽，到时只要有表面存在的地方就会有表面活性剂的用武之地。 参 考 文 献1 江龙，胶体化学概论，科学出版社，2002.2 胡纪华、杨兆禧、郑忠，胶体与界面化学，华南理工大学出版社，1997.03.3 沈钟、赵振国、王果庭，胶体与表面化学，化学工业出版社，2004.08.4 刘彩娟，表面活性剂的应用与发展，河北化工，第4期第30卷，2007.04.5 张卫丽，李淑英，表面活性剂的应用和发展，全面腐蚀控制，第6期第19 卷，2005.12.6 中国农业百科全书编辑委员会农药卷编辑委员会、中国农业百科全书编辑 部，中国农业百科全书农药卷，农业出版社，1993.10.7 林崇德、姜璐、王德胜，中国成人教育百科全书化学化工，南海出版公司， 1994.8.8 严群芳，非离子表面活性剂的性质及应用，贵州化工，第5期第30卷,2005.10.9 刘彩娟，表面活性剂的应用与发展，河北化工，第4期第30卷，2007.04.10 张卫丽，李淑英，表面活性剂的应用和发展，全面腐蚀控制，第6期第19 卷，2005.12.11 张卫丽，李淑英，表面活性剂的应用和发展，全面腐蚀控制，第6期第19 卷，2005.12. 12 杨锦宗、张淑芬，表面活性剂的复配及其工业应用，日用化学工业，第2 期，1999.4.13 刘世友，农药制剂中表面活性剂的应用及发展，辽