精细化工论文-表面活性剂的研究与应用.doc

表面活性剂的研究与应用摘要： 表面活性剂是一类具有两亲结构的化合物，分子中一般含有两种极性与媒亲性迥然不同烦人基团。人们对其精心该系统的理论和应用研究已渗透到所有工业领域和技术部门。它用量虽小，但对改进技术，提高工作效率和产品质量，增收节支收效显著，因此有“工业味精”之美称。 目前，国际上表面活性剂品种不下数千种，其中产量大，应用广的主要品种则是“四大三小“，即以十二烷基磺酸盐，脂肪醇聚环氧乙烷醚，脂肪醇聚环氧乙烷醚硫酸盐，脂肪醇硫酸盐为主，-烯烃磺酸盐，仲烷基磺酸盐，-磺基脂肪酸甲酯紧随其后。表面活性剂不仅是民用洗涤剂的主要原料，而其应用已渗透到国民经济的各个行业，特别是高科技领域。本文仅对表面活性剂的种类，性能，作用，工艺等做以简要介绍。关键词：表面活性剂 ；阳离子表面活性剂 ；阴离子表面活性剂；合成工艺 ；发展。绪论： 表面活性剂是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。 表面活性剂范围十分广泛（阳离子、阴离子、非离子及两性），为具体应用提供多种功能，包括发泡效果，表面改性，清洁，乳液，流变学，环境和健康保护。 表面活性剂在许多行业配方中被用作性能添加剂，如个人和家庭护理，以及无数的工业应用中：金属处理、工业清洗、石油开采、农药等。表面活性剂的分类及介绍：表面活性剂性质的差异，除与烃基的大小，形状有关外，主要与亲水基有关。亲水基的变化比疏水基要大得多，因而表面活性剂一般以亲水基的结构分类，即按离子的的类型不同来分类。1.阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂按亲水基不同，可分为羧酸盐（），硫酸酯盐（），磺酸盐(包括芳基),磷酸酯盐（），脂肪酰-肽缩合物（）等。由于和德不同，每一种又可衍生出许多种类的表面活性剂，其中烷基苯磺酸钠的产量最大，是合成洗涤剂的重要成分之一。 其重要的产品有： （1）肥皂：肥皂是一种历史悠久的且产量很大的额表面活性剂，其化学结构为高级脂肪酸的钠盐或者钾盐，是由天然的动植物油脂与碱发生皂化反应得到的。肥皂的主要性能特点是它的水溶液的在9.09.8，呈弱碱性，它有良好的润湿、发泡、去污等作用而被广泛用作洗涤剂。肥皂在pH低于7的酸性介质中会转变成不溶于水的游离脂肪酸，会使皂液变混浊并粘附在衣物上不易被除去。因此肥皂只能在中性和碱性介质中使用。通常使用肥皂时常配合加入适量纯碱以保持皂液pH在10左右，其目的为防止肥皂水解和提高洗涤效果。注意在去除酸性污垢或在酸性媒液中不能使用肥皂。软脂酸盐和硬脂酸盐水溶性差，要充分发挥它们的洗涤能力往往需要在较高温度条件下 酝使用，而含有不饱和键的油酸盐比较适合在较低温度的洗涤场合。以上的高碳脂肪酸盐 隘由于在水中溶解度太低，但油溶性好，所以适合作掺水干洗溶剂中的表面活性剂(变性皂)，脂肪酸的有机胺盐和二乙醇胺、三乙醇胺盐大多表现为油溶性的，常用作乳化剂，润湿氍剂，如三乙醇胺肥皂常在有机溶剂中作乳化剂。（2）磺酸盐类把在水中电离后生成起表面活性作用阴离子为磺酸根(R-S03)者称为磺酸盐型阴离子表面活性剂，包括烷基苯磺酸盐、-烯烃磺酸盐、烷基磺酸盐、-磺基单羧酸酯、脂肪酸磺烷基酯、琥珀酸酯磺酸盐、烷基萘磺酸盐、石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基甘油醚磺酸盐等多种类型，其中比较重要和常用作洗涤剂的有下列几种。直链烷基苯磺酸及其盐（LAS）LAS是一种黄色的液体，经纯化后可形成六角形或斜放型薄片状晶体。其分子结构由亲油基团，离子型的亲水磺酸盐基团及作为连接手段的亲油性苯环基团三部分组成，分子式为RC6H4-SO3H（R为平均十二烷基）。经过长期以来对LAS的结构与性能方面的研究，从其综合表面活性与生物降解两方面考虑，较为理想的LAS的结构式C10至C14的直链烷烃，苯环在烷基的第三或第四个谈原子上连接，亲水基为苯环对单位磺酸基。-烯烃磺酸盐(AOS) -烯烃磺酸盐(AOS)是-烯烃与SO3在适当条件下反应，然后中和水解得到的具有表面活性阴离子的混合物，成分复杂，随工艺条件和投料量不同成分有不同。其主要成分是烯基磺酸盐(R-CH=CH-(CH2)pSO3Na)、羟烷基磺酸(RCH-(CH20)pSO3Na)和少二磺酸盐(RCH=CHCH-(CH2)2)或RCH(CH2)xCH(CH2)ySO3Na。其商品名为。烯烃磺酸盐，缩写AOS。 烯烃磺酸盐是一种性能优良的洗涤剂，尤其是在硬水中和有肥皂存在时具有很好的起泡力和优良的去污力。由于它的毒性低对皮肤刺激性小以及性能温和的优点，在家庭和工业、清洗中均有广泛的用途。常用作个人保护、卫生用品、手洗餐具清洗剂、重垢衣物洗涤剂、毛羽，毛清洗剂、洗衣用合成皂、液体皂以及家庭用和工业用硬表面清洗剂的主要成分。 烷基磺酸盐(AS和SAS) 烷基磺酸盐(AS和SAS) 的通式为RSO3M(M为碱金属或碱土金属)，R为C12C20范围的烷基，其中以十六烷基磺酸盐性能最好。其中正构烷基在、引发剂作用下与SO2、O2反应得到的磺酸盐，分为伯烷基磺酸盐(AS)和仲烷基磺酸盐(SAS)两类。其中仲烷基磺酸盐结构式为R-CH-R，缩写名称为SAS，国内商品名为601洗涤剂，是一种具，有很好水溶性、润湿力、除油力的洗涤剂。烷基碳原子一般为C14C18，以C15C16去污能力最强。其去污能力与直链烷基苯磺酸(LAS)相似，发泡力稍低，是配制重垢液体洗涤剂的主要原料。它的毒性和对皮肤的刺激性都比iLAS低，生物降解性好。使用时常与醇醚硫酸(AES)，烯基磺酸盐(AOS)复配，以弥补SAS在硬水中泡沫性差的缺点。可做个人卫生盥洗制品、各种洗衣物以及硬表面清洗剂。磺基单羧酸及其衍生物(MES) 它们的结构式为CH2一COOR， (R为长链烃基或金属离子)。-磺酸单羧酸本身不具有表面活性，但通过酯化或酰胺化生成的衍生物具有表面活性，如CH2C-OC12H25等。其中以脂肪酸甲酯为原料经磺化中和后得到的商品称为-磺基脂肪酸甲酯，简称MES，通式为R-CH-COOCH3。2.阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂，是其分子溶于水发生电离后，与亲油基相连的亲水基是带阳电荷的面活性剂。亲油基一般是长碳链烃基。亲水基绝大多数为含氮原子的阳离子，少数为含硫或磷原子的阳离子。分子中的阴离子不具有表面活性，通常是单个原子或基团，如氯、溴、醋酸根离子等。阳离子表面活性剂带有正电荷，与阴离子表面活性剂所带的电荷相反，两者配合使用一般会形成沉淀，丧失表面活性。它能和非离子表面活性剂配合使用。主要有： （1）胺盐型阳离子表面活性剂所有的胺盐型阳离子表面活性剂均可通过胺与酸中和得到。通常先将胺化合物放入反应器内，然后加水稀释过的算，便可得到无水的胺盐和相应的水溶液。一般按其实胺的不同分为高级胺盐阳离子表面活性剂好低级胺盐阳离子表面活性剂。前者多由高级脂肪胺与盐酸或乙酸经行中和反应制得。常用作缓蚀剂，捕集剂，防结块剂等。通常将脂肪胺加热成液体后，再搅拌下加入计算量的乙酸，即可得到脂肪胺乙酸盐： RCH2NH2 + CH3COOH RCH3NH2CH3COOH 后者则由硬脂酸，油酸等廉价脂肪酸与低级胺如乙醇胺，氨基乙基乙醇胺等反应，再用乙酸中和制得，不仅价格远远低于前者，而且性能良好。 （2）季铵盐型阳离子表面活性剂 季铵盐为铵离子中的四个氢原子都被烃基取代而生成的化合物，通式R4NX，其中四个烃基R可以相同，也可不同。X多是卤素负离子(F、Cl、Br、I)，也可是酸根（如HSO4、RCOO等）。 季铵盐型阳离子表面活性剂是产量高、应用广的阳离子表面活性剂。一般由叔胺与醇、卤代烃、硫酸二甲酯等烃基化试剂反应制得。吡啶(C5H5N)也可以看成一种特殊的叔胺，通常把吡啶与卤代烷的反应产物也归于季铵盐中。如溴代十六烷与吡啶反应得到的产物十六烷基溴化吡啶是一种常用的杀菌剂。 季铵盐阳离子表面活性剂水溶性好，既耐酸又耐碱且大多数具有杀菌作用。由于大部分纤维表面带负电，用季铵盐阳离子表面活性剂可中和其电荷，因此有较好的抗静电作用。它们能在纤维表面形成疏水油膜，降低纤维的摩擦系数使之具有柔软、平滑的效果所以可作柔软剂。这种表面活性剂除可作抗静电剂柔软剂外，还可作护发产品中的头发定型调理剂，纺织工业中的匀染固色剂。但它有使机械生锈的缺点，价格也较贵。在清洗剂中常与非离子表面活性剂复配成杀菌、消毒清洗剂。 （3）杂环类表面活性剂 杂环类阳离子表面活性剂可以有咪唑啉，吗啉胍类、三嗪类等。眯唑啉是含有二个氮原子的五元杂环的单环化合物，如2烷基咪唑啉，它与硫酸二甲酯肛 反应可生成季铵盐；如脂肪酸与二亚乙基三胺反应生成2烷基氨基乙基咪唑啉，得到的产物乙酰化再与甲酸中和或季铵化都得到阳离子表面活性剂。它们都可做纤维柔软剂或杀菌剂。 一般阳离子表面活性剂去污力较差，因此通常不用阳离子表面活性剂作洗涤剂。但在特殊的清洗剂中如杀菌消毒洗涤剂中会加入阳离子特别是季铵盐型阳离子表面活性剂。 3.两性表面活性剂是指同时具有阴、阳两种离子性质的表面活性剂。从它的结构来看，与憎水基团相连接的既有阳离子，也有阴离子。它是一种温和性的表面活性剂。两性表面活性剂分子与单一的阴离子型、阳离子型不同,在分子的一端同时存在有酸性基和碱性基。酸性基大都是羧基、磺酸基或磷酸基,碱性基则为胺基或季铵基,能与阴离子、非离子型表面活性剂混配,能耐酸、碱、盐以及碱土金属盐。 蛋黄里的卵磷脂是天然的两性表面活性剂。现在常用的人工合成两性表面活性剂，其阴离子部分大多是羧酸基，也有少数是磺酸基。其阳离子部分大多是胺盐或季胺盐。由胺盐构成阳离子部分的叫氨基酸型；由季胺盐构成阳离子部分的叫甜菜碱型。表面活性剂的作用表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂，其他应用几乎可以覆盖所有的精细化工领域。1.增溶 临界胶束浓度（CMC）：表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度。当其浓度高于CMC值时，表面活性剂的排列成球状、棒状、束状、层状/板状等结构。表面活性剂可与物质分子结合，由亲水基 外亲油基内的方式结合，在水中形成小的胶束，是物质分在在水中从而溶解。2.乳化作用 亲水亲油性（HLB）：表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲合力。根据经验，将表面活性剂的值范围限定在0-40，非离子型的HLB值在0-20。 混合加和性：HLB=（HLBa Wa+HLBb /Wb） / （Wa+Wb） 理论计算：HLB=（亲水基团HLB值）+（亲油基团HLB）-7。这样使得油状物质在水中与表面活性剂结婚咯分散在水中形成乳状液，而不是聚集在一起形成分成界面。3.润湿作用 使用表面活性剂可以控制液、固之间的润湿程度。农药行业中在粒剂及供喷粉用的粉剂中，有的也含有一定量的表面活性剂，其目的是为了提高药剂在受药表面的附着性和沉积量，提高有效成分在有水分条件下的释放速度和扩展面积，提高防病、治病效果。 在化妆品行业中，做为乳化剂是乳霜、乳液、洁面、卸妆，护肤产品中不可或缺的成分。4.起泡和消泡作用 表面活性剂在医药行业也有广泛应用。在药剂中，一些挥发油脂溶性纤维素、甾体激素等许多难溶性药物利用表面活性剂的增溶作用可形成透明溶液及增加浓度；药剂制备过程中，它是不可缺少的乳化剂，润湿剂，助悬剂，起泡剂和消泡剂等。5.抗硬水性 甜菜碱表面活性剂对钙、镁离子均表现出非常好的稳定性，即自身对钙、镁硬离子的耐受能力以及对钙皂的分散力。在使用过程中防止钙皂的沉淀，提高使用效果。6.去垢、洗涤作用 去除油脂污垢是一个比较复杂的过程，它与上面提到的润湿、起泡等作用均有关。 最后要说明的是，表面活性剂起作用，并不单单是因为某一方面的作用，很多情况下是多种因素共同作用。表面活性剂的化学结构与性能的关系 1.亲疏平衡值与性能之间的关系 值：表示表面活性剂的亲水疏水性能 （） 表面活性剂要呈现特有的界面活性，必须使疏水基和亲水基之间有一定的平衡。 石蜡值（无亲水基）,聚乙二醇值（完全亲水） 对阴离子表面活性剂，可通过乳化标准油来确定值。 值 用途增溶剂洗涤剂 油/水型乳化剂 润湿剂 水/油乳化剂 消泡剂 HLB值可作为选用表面活性剂的参考依据。 2.疏水基种类与性能 疏水基按应用分四种 （1）脂肪烃； （2）芳香烃； （3）混合烃； （4）带有弱亲水性基； （5）其他：全氟烃基 。疏水性大小 3亲水基的位置与性能 末端：净洗作用强，润湿性差；中间：相反。 4.分子量与性能 值、亲水基、疏水基相同，分子量小，润湿作用好，去污力差； 分子量大，润湿作用差，去污力好。 5浊点 对非离子表面活性剂来说，亲水性取决于醚键的多少，醚与水分子的结合是放热反应。 当温度上升，水分子逐渐脱离醚键，而出现混浊现象，刚刚出现混浊时的温度称浊点。此时表面活性剂失去作用。浊点越高，使用的温度范围广。 表面活性剂的发展 表面活性剂和洗涤剂合成形成一门工业得追溯到本世纪30年代，以石油化工原料衍生的合成表面活性剂和洗涤剂打破了肥皂一统天下的局面。经过60余年的发展，1995年世界洗涤剂总产量达到4300万吨，其中肥皂900万吨。据专家预测，全世界人口从2000年到2050年将翻一番，洗涤剂总量将从5000万吨增加到