日用化学品化学 课件 第二章 表面活性剂的结构与性能

1第二章表面活性剂的结构

与性能表面活性剂理论2主要内容表面活性剂定义临界胶束浓度临界胶束浓度的确定及其影响因素胶束的形成和结构表面活性剂的HLB值31.

表面活性剂定义1.1表面活性剂在哪§2.1表面活性剂的基本特征洗衣粉§2表面活性剂结构与性能4洗发护发品§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.1表面活性剂在哪5眼影§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.1表面活性剂在哪6指甲油§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.1表面活性剂在哪7

冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了化妆品我们的生活也变得如此美好。若没有表面活性剂，这两样东西都不会有。这真是太可悲了。但是，如果真的没有了表面活性剂，也不会有人为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有表面活性剂，人也没有了。

——英国著名界面化学家Ckint§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.1表面活性剂在哪81.2表面活性剂定义

表面活性剂是一张两亲分子，当它在溶液中以很低的浓度溶解分散时，优先地吸附在溶液的表面或它的界面上，使表面或界面张力（或自由能）显著地降低，改变体系的界面状态；当其达到一定浓度时，溶液中缔合成胶团。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义91.2.1表面活性剂结构

分子中具有亲水基和亲油基，亲油基也称为疏水基，通常用符号表示如下：亲水基亲油基表面活性剂

+§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义10疏水基团亲水基团表面活性剂分子§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义1.2.1表面活性剂结构

11§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义1.2.1表面活性剂结构

12§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义1.2.1表面活性剂结构

亲油基亲水基亲水基亲油基亲油基亲水基亲水基亲水基亲油基亲油基亲油基亲油基亲水基亲水基131.2.2原理表面活性剂分子含有一个亲水基和一个亲油基，当表面活性剂溶于水中时，亲水基团使分子有进入水的倾向，而亲油的碳氢长链则竭力阻止其在水中溶解而从溶剂内部迁移，有逃逸出水相的倾向，这种疏水基逃离水环境的性质称为疏水作用。§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义14

这两种倾向平衡的结果是表面活性剂在表面富集，亲水基伸向水中，疏水基伸向空气。表面活性剂这种从水内部迁至表面，在表面富集的过程叫吸附。

表面活性剂在水表面吸附的结果是水表面似被一层非极性的碳氢链覆盖，从而导致水的表面张力下降。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义1.2.2原理151.2.3表面活性剂的特点(1)双亲性H2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO非极性烃链（疏水）极性基团（亲水）(2)溶解度①在油中；②在水中。

§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义16(3)界面吸咐(4)界面定性

§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.2表面活性剂定义1.2.3表面活性剂的特点17(5)临界胶束浓度（cmc）(6)多功能性

亲油

|亲水

HLB值013678101213151820 ||消泡|—||

润湿剂|—增溶剂——||

石蜡W/O乳化剂

|去污|聚乙二醇

|——渗透作用———|

|———O/W乳化剂————|

§2.1表面活性剂的基本特征1.2.3表面活性剂的特点1.2表面活性剂定义1.表面活性剂定义18离子型非离子型(1)阴离子型(2)阳离子型(3)两性型表面活性剂1.3表面活性剂按离子类型特种表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义19(1)阴离子表面活性剂RCOONa

羧酸盐R-OSO3Na

硫酸酯盐R-SO3Na

磺酸盐R-OPO3Na2

磷酸酯盐1.3.1离子型表面活性剂§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型20(2)阳离子表面活性剂R-NH2·HCl

伯胺盐

CH3|R-N-HCl

仲胺盐|H

CH3|R-N-HCl

叔胺盐|

CH3

CH3|R-N+-CH3Cl-

季胺盐|CH31.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1离子型表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征21(3)两性表面活性剂R-N+HCH2-CH2COO-H氨基酸型

CH3|R-N+-CH2COO-H

甜菜碱型|CH3§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1离子型表面活性剂22(4)离子型表面活性剂小结

离子型表面活性剂由于其特殊结构，具有许多优异性能，如良好的去污、起泡和乳化性能，对酸碱和多种金属离子都比较稳定，具有抗静电、杀菌、防腐蚀等使用性能，特别是其极低毒性和无刺激性以及良好的生物降解性能，使其在日用化学品应用中前景广阔。同时在纺织、印染、化纤、除锈方面都有相当用途。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1离子型表面活性剂23练习1:

十二烷基磺酸钠C12H25-SO3-Na+

●它是什么类型表面活性剂？阴离子型磺酸盐表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1离子型表面活性剂24练习2:

十六烷基溴化铵CH3|C16H33-N+-CH3Br－

|CH3●它是什么类型表面活性剂？阳离子型季铵盐表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1离子型表面活性剂25R-(C6H4)-O(C2H4O)nH

烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H

多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH

脂肪醇聚氧乙烯醚1.3.2非离子型表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型26脂肪醇聚氧乙烯醚R-O-(CH2CH2O)nH

俗称平平加系列，具良好湿润性能烷基酚聚氧乙烯醚R-(C6H4)-O(C2H4O)nH

俗称OP系列，化学性质稳定，抗氧化性能强(1)常用非离子表面活性剂

多元醇型：主要是失水山梨醇的脂肪酸酯及其聚氧乙烯加成物Span类及Tween类

表面活性剂即属此类；具有低毒的特点，广泛用于医药工业、食品工业以及生化实验§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1非离子型表面活性剂27(2)非离子型表面活性剂小结非离子型表面活性剂稳定性高，不易受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受酸碱的影响，与其它类型表面活性剂的相容性好；在水及有机溶剂中皆有良好的溶解性能，具有良好的乳化、润湿、渗透性、以及起泡、洗涤、稳泡、抗静电等作用，且无毒；广泛用作纺织业、化妆品、食品、药物等的乳化剂、消泡剂、增稠剂，以及医疗方面的杀菌剂以及洗涤、润湿剂等。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1非离子型表面活性剂281.3.3特种表面活性剂氟表面活性剂硅表面活性剂高分子表面活性剂冠醚类大环化合物二聚表面活性剂特种表面活性剂§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型29生物表面活性剂生物表面活性剂是指由细菌、酵母和真菌等多种微生物产生的具有表面活性剂特征的化合物。微生物在代谢过程中常分泌出一些具有表面活性的代谢产物。如简单脂类、复杂脂类或类脂衍生物。在这些物质分子中存在着非极性的疏水基团和极性的亲水基团。

用微生物制取的表面活性剂产物易于被生物完全降解、无毒性，在生态学上是安全的。§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.3表面活性剂按离子类型1.3.1特种表面活性剂301.4根据亲水基的类别可分为糖脂系列；脂肪酸系列；酰基缩氨酸系列；磷脂系列；高分子生物表面活性剂等。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义31第一:在表(界)面上吸附，形成吸附膜；第二:在溶液内部自聚，形成多种类型的分子有序组合体。1.5表面活性剂作用§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义32

从这两个基本功能出发，衍生出表面活性剂的其它多种应用功能。在表(界)向上吸附的结果是降低了表(界)面张力，改变了体系的表(界)面化学性质。从而使表面活性剂具有起泡、消泡、乳化、破乳、分散、絮凝、润湿、铺展、渗透、润滑、抗静电以及杀菌等功能。§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用33润湿作用乳化作用分散作用起泡与消泡增溶作用洗涤作用肥皂、洗涤剂化妆品食品加工纺织工业金属加工石油、建筑功能应用§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用341.5.1直接作用润湿或反润湿、乳化或反乳化、发泡或消泡、分散、加溶和洗涤等。例：分散的作用钻井泥浆、涂料、油墨、墨水、消字液、改正液、感光材料、纳米材料§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用3536表面活性剂在纳米材料中应用§3.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用1.5.1直接作用371.5.2间接作用平滑、匀染、杀菌、防锈和消除静电等。例：匀染作用§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用38§2.1表面活性剂的基本特征1.表面活性剂定义1.5表面活性剂作用1.5.2间接作用392.临界胶束浓度2.1临界胶束浓度定义

表面活性剂在溶液中超过一定浓度时，会从单个分子缔合成为胶态的聚合物；溶液性质发生变化时的浓度，即为胶束开始形成时的浓度，称为临界胶束浓度（CriticalMicelleConcentration，简称CMC）。§2.1表面活性剂的基本特征40(1)极稀溶液，界面上没聚集很多的表面活性剂，空气和水直接接触，水的表面张力下降不多，接近于纯水的状态。2.1.1表面活性剂浓度与临界胶束形成关系§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度2.1临界胶束浓度定义41(2)

浓度相对升高，很快地聚集到水表面上，即表面吸附量大为增加、空气和水的接触相对减少，水表面张力下降。§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度2.1临界胶束浓度定义2.1.1表面活性剂浓度与临界胶束形成关系42(3)表面活性剂浓度逐渐升高，表面活性剂毫无间隙地密集于液面上，形成了单分子吸附膜。空气与水处于完全隔离状态，表面吸附达饱和。在溶液内部，增加表面活性剂,先是三三两两以疏水基互相靠拢，形成球形胶束的最初形式。§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度2.1临界胶束浓度定义2.1.1表面活性剂浓度与临界胶束形成关系432.1.2临界胶束形成§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度2.1临界胶束浓度定义442.2胶束形成的原因

从热力学观点看，单个表面活性剂分子溶于溶剂后，增加了体系的自由能，需要降低体系的自由能使体系稳定：当表面吸附未饱和时，表面活性剂分子倾向于在溶液表面吸附，使体系中表面活性剂的浓度小于它在表面上的浓度，从而减少溶液的自由能，体系达到稳定；当表面吸附达到饱和后，溶液表面上吸附的表面活性剂分子脱附速度增大，表面自由能已不能再下降，如果再增加溶液浓度，则表面活性剂只有通过形成分子聚集体以使体系的能量达到最低，即胶束与离子间的平衡状态。§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度452.3在CMC附近，溶液物理性质变化

以十二烷基硫酸钠水溶液浓度为例：①洗涤作用②密度③表面张力④渗透压⑤电导率⑥界面张力§2.1表面活性剂的基本特征2.临界胶束浓度463.临界胶束浓度的确定及其影响因素3.1

临界胶束浓度的理论计算

根据质量作用定律，将胶束的形成看成是单分子或离子与胶束处于缔合-解离的动态平衡。3.2CMC的实际测定方法

常用的CMC测定方法有表面张力法、荧光探针法、电导法、染料增溶法、折射率法和光散射法等。§2.1表面活性剂的基本特征47（1）表面张力法表面张力-浓度曲线（2）荧光探针法加入荧光物质（3）电导法适用于离子型表面活性剂§2.1表面活性剂的基本特征3.临界胶束浓度的确定及其影响因素3.2CMC的实际测定方法48（4）染料增溶法胶束有亲油“内核”（5）折射率法折射率变化差值与浓度关系曲线（6）光散射法是最有效方法之一，可与不同激光结合§2.1表面活性剂的基本特征3.临界胶束浓度的确定及其影响因素3.2CMC的实际测定方法493.3临界胶束浓度的影响因素（1）分子结构亲油基的碳原子数和结构及反离子的种类等（2）电解质

无机盐会使临界胶束浓度显著降低，特别对离子型表面活性剂。（3）温度取决于温度对亲水基和疏水基综合效果。（4）有机物§2.1表面活性剂的基本特征3.临界胶束浓度的确定及其影响因素504.胶束的结构和形状4.1胶束的结构§2.1表面活性剂的基本特征51球形胶束4.2胶束的形状§2.1表面活性剂的基本特征4.胶束的结构和形状52棒状胶束§2.1表面活性剂的基本特征4.胶束的结构和形状4.2胶束的形状53层状胶束§2.1表面活性剂的基本特征4.胶束的结构和形状4.2胶束的形状545.表面活性剂的HLB值5.1HLB值定义

HLB值是表示分子中亲水和亲油的两个相反基团的大小和作用的平衡。

HLB值是由分子的化学结构、极性强弱或分子中的水合作用决定的。§3.1表面活性剂的基本特征555.2

HLB值的意义表面活性剂的HLB值，其数值并非表示乳化强弱大小，而只是表示其亲水性能的一个相对数值。HLB值为1-40，其中非离子型乳化剂的HLB值为1-20，一般以油酸的HLB值为1，代表亲油性最强的乳化剂，而油酸钾的HLB值为20，十二烷基硫酸钠的HLB值为40。从亲油性到亲水性的转变中点其HLB值为10，即HLB值小于10的乳化剂是亲油的，大于10则是亲水的。§2.1表面活性剂的基本特征5.表面活性剂的HLB值