《表面活性剂》课件.ppt

第十章,表面活性剂,表面活性剂是20世纪40年代初开发研制、50年代迅速发展起来的一种新型化学品。表面活性剂是许多工业部门必要的化学助剂，广泛地应用于纺织、制药、化妆品、食品、造纸、皮革、土建、采矿以及民用洗涤等各个领域，主要用作润湿剂、渗透剂、洗涤剂、乳化剂、匀染剂、固色剂、发泡剂、消泡剂等，其用量虽小，但收效甚大，被喻为工业味精。,概述,第一节表面活性剂的概述,第三节表面活性剂的基本性质,第四节表面活性剂的应用,第二节表面活性剂的分类,第10章表面活性剂Surfactant,水滴为什么是圆形而不是方形,它们为什么可以漂在水面上,一、表面活性剂的概念,界面（interface）是指物质的相与相之间的交界面。两相接触的约几个分子厚度的过渡区。（五类）,表面（surface）两相中有一相是气体的界面。严格讲是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面气/固、气/液,相（phase）具有相同成分、相同物理化学性质的均匀物质,界面吸附(interfaceabsorbent)溶于液体中的物质，被吸附于液体的表面，溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，这种现象称为界面吸附。,界面现象（interfacephenomenon）界面分子和相内分子所受力不相同，因而产生各种现象，习惯上称表面现象。产生的主要原因是表面分子与相内分子存在着能量差别,处于液态表面层的分子受到液体内部分子的引力,液面分子有向液体内部移动的倾向，即液体表面积具有自动收缩的能力,液体就像张紧的弹性膜一样。,表面现象的微观成因,表面张力升高-无机盐，含羟基较多的盐-无表面活性,表面张力逐渐下降低碳醇，羧酸等表面活性物质,表面张力急剧下降表面活性剂,表面活性剂：具有很强表面活性、能使液体的表面张力显著下降的物质。,表面活性物质(Surfaceactivematerial),能使水的表面张力降低的溶质称为表面活性物质。,这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。,表面活性物质的表面浓度大于本体浓度（正吸附），增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。,非表面活性物质,能使水的表面张力升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。,这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。,如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。,CompanyLogo,非极性亲油碳氢链hydrophobicgroup,表活剂结构,极性亲水基团hydrophilicgroup,二、表面活性剂的structure,surfactant,表面活性剂的结构特征,两亲结构（amphiphilic）：由非极性烃链（憎水性即亲油性）和一个以上的极性基团（亲水性）组成亲油基团和亲水基团强度的相互平衡(HLB值）,直链烷基（C8C20）；支链烷基（C8C20）；烷基苯基（烷基为C8C16）；烷基萘基（烷基碳原子数在3以上，且烷基数目一般为两个）；松香衍生物；高分子量聚氧丙烯基；长链全氟（或高氟代）烷基；全氟聚氧丙烯基（低分子量）；聚硅氧烷基。,表面活性剂的亲油基,以上亲油基的亲油性强弱顺序为：全氟代烃脂肪族烃基脂肪族侧链芳烃基芳烃基带弱亲水基的烃基,表面活性剂的亲油基,C8时，表面活性随碳链的增长而提高。C=812时（碳链较短），润湿、渗透作用好；C=1218时（碳链较长），洗涤、乳化分散作用好。例：烷基磺酸钠：C=1418，洗涤剂；C0时，铺展过程是一个自由能降低的过程，铺展可自发进行，液体可以在固体表面上自动展开，液体会逐渐连续地从固体表面取代气体。只要液体的量足够多，液体将会自发地铺展在整个固体表面上。,润湿是一种界面现象，润湿过程中界面的性质和体系的能量会发生变化。润湿发生的条件为：,沾湿,浸湿,铺展,如果S0，则一定是Wa0，Wi0，也就是说，铺展的标准是湿润的最高标准。能铺展则必能沾湿和浸湿。反之则不然，所以将铺展系数作为体系润湿性的指标。,从Wa，Wi和S的定义可以看出：固气，固液和气液对润湿过程的影响为：sg越大，Wa，Wi和S就越大，就越有利于沾湿、浸湿和铺展等润湿过程。sl越小，Wa，Wi和S就越大，就越有利于沾湿、浸湿和铺展等润湿过程。lg对三种润湿过程的影响不相同。lg越大，越有利于沾湿。lg越小，越有利于铺展。浸湿过程与它无关。,3.5.1.2接触角与湿润过程,在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。,当Wa，Wi和S大于零过程自发进行，因液体的表面张力lg0，1800，沾湿过程即可进行。沾湿过程是任何液体和固体之间都能进行的过程。900浸湿过程即可进行若=00或不存在，铺展过程即可进行,沾湿：Wa=ls+lg-sg=lg(cos+1)浸润：Wi=ls-sg=lgcos铺展：S=ls+lg-sg=lg(cos-1),习惯上人们更常用接触角来判断液体对固体的润湿90o润湿；90o不润湿；=00或不存在完全润湿；=180o完全不润湿。,(1)提高液体的润湿能力（在水中加入表面活性剂降低表面张力，使水在固体发生铺展）-润湿剂(2)改变固体表面的润湿性质（极性基团吸附在固体表面，非极性基团朝向气体形成定向排列吸附层，反润湿作用）-防水剂,3.5.1.3表面活性剂的湿润功能,农业：要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；,材料工业：如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90；,3.5.1.4润湿现象的应用,钢铁工业：在熔炼中要求钢水与炉渣不润湿，否则彼此不易分离,冶金工业：浇铸工艺中熔融金属和模具间的润湿程度直接关系到浇铸的质量,能源：热电厂滴状冷凝；三次采油,3.5.2起泡作用,“泡”就是由液体薄膜包围着气体。即：气体分散在液体中的一种分散体系。气体是分散相，流体是分散介质。表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，这种表面活性剂称为起泡剂（foamingagent）。,3.5.2.1起泡剂的定义,起泡剂分子在气泡表面定向排列以后，当两个气泡接触碰撞时，中间垫着两层起泡剂分子及它们极性基的水化层，因此气泡较难兼并，小气泡容易保存下来，同时小气泡比大气泡更能经受外力的振动，其稳定性更强。,3.5.2.2起泡剂的作用原理,起泡剂分子以一定的取向吸附于气液界面上，非极性基朝向空气，亦即指向气泡内部。极性基朝向水，并吸引着水分子（极性端被水化）。所以起泡剂分子能够降低泡壁间水层流动速度及蒸发速度，这样就防止了泡壁的破裂。,起泡剂使气泡表面具有弹性，如同具有弹性的橡皮薄膜一样。起泡剂分子的定向排列降低了表面张力，气泡受到外力作用变形时，泡壁界面也增大，就引起气泡表面层起泡剂分子浓度降低，而气液界面的表面张力则显著增大，这种表面张力的增大一方面有利于约束气泡内气体分子向外冲出，另一方面使气泡产生较大的收缩力，克服了使气泡发生破裂的外力。,起泡能力和泡沫稳定性是两个概念。有些表面活性剂的起泡能力较好，但生成的泡沫的稳定性不一定好，此时可加入稳泡剂来改善泡沫的稳定性。起泡剂主要是各种表面活性剂，如十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和十二胺的盐酸盐等。而蛋白质、明胶、炭末和矿粉对泡沫也有良好的稳定作用。,3.5.2.3稳泡剂及泡沫稳定性,起泡剂通常有较强的亲水性和较高的HLB值，在溶液中可降低溶液的界面张力而使泡沫稳定。,在产生稳定的泡沫情况下，加入一些HLB值为13的亲油性较强的表面活性剂，则可与泡沫液层争夺液膜表面而吸附在泡沫表面上，代替原来的起泡剂，而其本身并不能形成稳定的液膜，故使泡沫破坏，这种用来消除泡沫的表面活性剂称为消泡剂少量的辛醇、戊醇、醚类、硅酮等也可起到消泡作用。,也有时要使用消泡剂（antifoamingagent），在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。,3.5.2.4消泡剂,用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等。,3.5.2.5发泡、消泡剂的应用,浮游选矿,首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。,搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。,不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。,捕集剂是将亲水的矿物表面变为疏水的表面，以利于矿物易粘附于气泡上的药剂。起泡剂是为使有用矿物有效地富集在空气与水的界面上，加入起泡剂造成大量的界面，产生大量的泡沫。,浮游选矿的原理图,选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。,当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。,浮游选矿的过程,4.乳化作用,一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。,1.水包油乳状液，用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。,2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。,简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为内相，将连续存在的液相称为外相。,乳状液的辨别,外观鉴别、电导法、光折射法混合法：乳状液容易分散到构成其外向的液体中。滤纸湿润法：染色法：油溶性染料苏丹可以使W/O整体着色，对于O/W只能使液珠着色；水溶性亚甲基蓝则相反,（一）降低界面张力当水相与油相混合时，加入表面活性剂（乳化剂）可降低油水的界面张力，分散成稳定的乳剂。,（二）形成牢固的乳化膜乳化剂降低油水界面张力的同时被吸附于乳滴的表面上，并有规律地定向排列形成膜，可阻止乳滴的合并。在乳滴周围形成的乳化剂膜称为乳化膜。乳化剂在乳滴表面上排列越整齐，乳化膜就越牢固，乳剂也就越稳定。,乳化剂的作用,有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。,5.洗涤作用,洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。,其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：,A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。,B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。,C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。,洗涤剂（detergent）用表面活性剂HLB值一般为1315。常用的表面活性剂有油酸钠和其它脂肪酸的钠盐、钾盐、十二烷基硫酸钠或烷基磺酸钠等阴离子性表面活性剂。去污剂的机理较为复杂，包括对污物表面的润湿、分散、乳化或增溶、起泡等多种过程。,消毒和杀菌作用大多数阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂都可用作消毒剂，少数阴离子表面活性剂也有类似作用，如甲酚皂、甲酚磺酸钠等。机理：分子中的亲油基能紧密地吸附于细菌表面，改变细胞壁的通透性、改变细菌细胞的渗透压，进而破坏细菌与周围环境的相对平衡，导致细菌死亡。,表面活性剂的其它作用,分散和凝聚分散是指内相为不溶性微粒分布在外相为液体或半固体中组成的粗分散体系悬浮液。由分散相、连续相、分散剂组成。分散剂是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂。可均一分散那些难于溶解于液体的无机，有机颜料的固体颗粒，同时也能防止固体颗粒沉降和凝聚，形成安定悬浮液所需要的药剂。,表面活性剂吸附于固体颗粒的表面，使凝聚的固体颗粒表面易于湿润。高分子型的分散剂，在固体颗粒的表面形成吸附层,使固体颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的反作用力。使固体粒子表面形成双分子层结构,外层分散剂极性端与水有较强亲合力,增加了固体粒子被水润湿的程度.固体颗粒之间因静电斥力而远离使体系均匀，悬浮性能增加，不沉淀，使整个体系物化性质一样,凝聚凝聚往往是一些相对分子质量较大的表面活性剂或极性聚合物，通过吸附、架桥凝聚。若高分子絮凝剂的相对分子质量偏小用量偏高包围分散微粒、空间效应乳化分散作用。吸