2-2 表面活性剂

2 2 1概述定义 表面活性剂是这样一种物质 它在加入量很少时即能大大降低溶剂 一般为水 表面张力 或液 液界面张力 改变体系界面状态 从而产生润湿或反润湿 乳化活破乳 起泡或消泡 以及增溶等一系列作用 以达到实际应用要求 分子结构特点 任何一种表面活性剂都是由非极性的 亲油 疏水 的碳氢链部分和极性的 亲水 疏油 的基团共同构成 两部分形成不对称结构 表面活性剂具有亲油亲水两亲性质 因此 该分子在水溶液中相对于水介质而采取独特的定向排列 并形成一定的组织结构 表现为两种重要性质 溶液表面的吸附与溶液内部的胶团形成 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 分类 离子型表面活性剂 阴离子型 脂肪酸钠盐 硫酸酯盐 磺酸盐 磷酸酯盐 阳离子型 胺盐类及季胺盐型 两性离子型 十二烷氨基丙酸钠 甜菜碱型的烷基二甲基甜菜碱 非离子型表面活性剂 非离子型 聚乙二醇 烷基酚聚氧乙烯醚 混合型表面活性剂 2 2 2表面活性剂在溶液中的状态下图说明了表面活性剂水溶液的不同浓度和各种表面活性剂的关系 表面活性随着浓度对数变化关系上有一个突变点 这说明表面活性的变化与溶液内部性质的变化有密切关系 该点CMC称为临界胶束浓度 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 CMC临界胶束浓度定义为 表面活性剂形成胶束的最低浓度 实际上临界胶束浓度是一个浓度带 有一个范围 胶束 是表面活性剂分子顺向排列的单分子膜 可见CMC数值越低 说明表面活性剂的表面活性越强 只需要较低浓度就可以形成胶束 在CMC以上 表面活性 去污力 表面张力 界面张力等 就不再随浓度的升高而变化 与表面活性剂的碳氢链长度有关 即随着其憎水性增加而下降 与碳氢链分支 极性位置 取代基位置等有关 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 具有相同亲水基的同系列表面活性剂 若亲油基团越大 则CMC越小 在CMC时 溶液的表面张力基本上到达最低值 胶束的结构 在一定浓度范围的表面活性剂溶液中 胶束成球形结构 随着溶液中表面活性剂浓度增加 20 以上 胶束转变成具有更高分子缔合数的棒状胶束 甚至六角束状结构 表面活性剂浓度更大时 成为板状或层状结构变化趋势 紊乱分布规整排列液态液晶态 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 2 2 4亲水亲油平衡值 HLB值 表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力 hydrophile lipophilebalance HLB HLB值即亲水亲油平衡值 即HLB值越大 表面活性剂的亲水性越强 一般来说影响表面活性剂表面活性的有以下 亲水性 HLB值 亲水基种类 亲油基种类 分子结构 分子量根据经验 表面活性剂的HLB范围值限定在0 40非离子表面活性剂的HLB值范围为0 20完全由疏水碳氢基团组成的石蜡分子的HLB值为0完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的HLB值为20亲水性表面活性剂有较高的HLB值 亲油性表面活性剂有较低的HLB值 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 表面活性剂的HLB值与其应用HLB值在3 6的表面活性剂适合用作W O性乳化剂HLB值在8 18的表面活性剂适合用作O W性乳化剂HLB值在13 18的表面活性剂适合用作增溶剂HLB值在7 9的表面活性剂适合用作润湿剂 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 HLB值的理论计算法HLB基团数 groupnumble 表面活性剂的HLB值看成是分子中各种结构基团贡献的总和 HLB 亲水基团HLB数 亲油基团HLB值 7注 表面活性剂的一些常见基团及其HLB基团数查表可得非离子表面活性系的HLB值具有加和性例如简单的二组分非离子表面活性剂体系的HLB值可计算如下 HLBa Wa HLBb Wb Wb注 上式不能用于混合离子型表面活性剂HLB值的计算 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 HLB值的计算方法如下 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 2 2 3表面活性剂的基本性质和派生性质表面张力 即垂直通过液体表面上任一单位长度 与液面相切的 收缩表面的力 是液体自动收缩表面的一种力 润湿性 渗透性 广义上讲 表面上的一种流体被另一种流体所取代的过程为润湿 实际过程 沾湿 浸湿 铺展 使用液滴的接触角来描述润湿过程 沾湿 指液体与固体接触 变液 气界面和固 气界面为固 液界面的过程 浸湿 指固体浸入液体中的过程 铺展 是在以固 液界面代替固 气界面的同时 液体表面也同时扩展 角越小 溶液的润湿性越好 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 力学讨论 水滴状态改变时 力的平衡关系 S Lcos SL润湿变大 S Lcos SL润湿变小 S Lcos SL水滴静止 此时 为润湿角则cos S SL L根据cos S SL L讨论表面活性剂的引入导致的结果 S constant又 表面活性剂加入 L和 SL减小 则cos 增大 角减小即表面活性剂降低表面张力的作用是使润湿角变小 也即增强了润湿能力 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 2 增溶 solubilization 是表面活性剂在水溶液中达到CMC以后 一些水不溶性或微溶性物质在增溶溶液中的溶解度可显著增加 形成透明胶体溶液的作用 例如 甲酚在水中的溶解度仅2 左右 但在肥皂溶液中 却能增加到50 最大增溶浓度 maximumadditiveconcentration MAC 当表面活性剂用量为1g时增溶药物达到饱和的浓度 例如 1g十二烷基硫酸钠可增溶0 262g黄体酮 1g吐温80或吐温20可分别增溶0 19g和0 25g丁香油 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 温度对增溶的影响影响胶束的形成 影响增溶质的溶解 影响表面活性剂的溶解度 1 Krafft点 对于离子型表面活性剂 例如十二烷基硫酸钠在水中的溶解度随温度变化曲线AKB 如图 十二烷基硫酸钠在水中的溶解度与温度关系 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 可以看出随温度升高 其溶解度在某一温度K点急剧升高 转折点K对应的温度称克拉费特点 Krafftpoint 而此点对应的溶解度即为该离子型表面活性剂的临界胶团浓度 图中虚线对应浓度 当溶液中表面活性剂的浓度未超过溶解度时 在区域 为溶液状态AK线以下 当继续加入表面活性剂时 则有表面活性剂析出 在区域 AKB线以上 此时再升高温度 体系又成为澄明溶液 KB曲线以下 区域 但与 相不同 相 是表面活性剂的胶束溶液 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 起昙与昙点 浊点 非离子型表面活性剂在水溶液中的溶解度随温度升高而下降 使溶液变浊 这种现象称为起昙 此温度为昙点 Cloudpoint 亦称浊点 昙点是非离子型表面活性剂的特征值 此类表面活性剂的昙点在70 100 但很多聚氧乙烯类非离子表面活性剂在常压下观察不到浊点 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈阳理工大学应用化学教研室 3 消泡性和发泡性起泡过程中 气 液接触面积增大 故属于不稳定状态 欲得到此状态需要搅动的情况下适当降低表面张力 具有合适分子结构的表面活性剂可降低表面张力 且保证液膜一定的强度 消泡物理方法 搅拌 改变温度和压力 消泡化学方法 加少量碳链适中的醇或醚 加另一种起泡剂 加消泡剂 防锈工艺 2 2表面活性剂 沈