表面活性剂.ppt

1、表面活性剂,1、定义 将少量物质加到溶剂(溶液)中即可显著降低溶剂(溶液)的表(界)面张力，使体系的表(界)面状态发生明显变化。 2、分类 2.1按表面活性剂在水中的电离情况分类 （A）阴离子型表面活性剂 （B）阳离子型表面活性剂 （C）非离子型表面活性剂 （D）两性类表面活性剂 使用：一般阴离子型、阳离子型表面活性剂 不可同时混用,表1-表面活性剂的主要亲水亲油基团,表-2 表面活性剂按亲水基种类分类,2.2 高分子表面活性剂：通常将分子量在数千以上且具有表面活性的物质称为高分子表面活性剂 2.3 特种表面活性剂 (A)有机氟表面活性剂:疏水基为全氟代的烷基 (B)有机硅表面活性剂:疏水基为

2、聚二甲基硅氧链 (C)高分子表面活性剂:天然(果胶酸钠,羧基淀粉,羧甲基纤维素CMC),合成(PVA,聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物) (D)有机硼表面活性剂,2.4 生物表面活性剂:利用微生物在一定条件下,将某些物质转化为具表面活性剂特性的代谢物. 如:海藻糖脂,磷脂类,鼠李糖,蛋白脂-多糖聚合物 3、特征、结构与性质 3.1 特征 两亲性：亲水亲油性 溶解性：溶于液相中的某一相,界面吸附：达到平衡时，其在界面上的浓度要大于其作为溶质在溶液整体中的浓度 界面定向：在界面上定向排列成分子层 形成胶束：当其在溶剂中的浓度达到一定时，会聚集形成胶束，此浓度的极限值称为临界胶束浓度CMC（ Critica

3、l Micelle Concentration ） 多功能性：其溶液通常具有多种复合的功能，如清洗，发泡，润湿，乳化，增溶，分散等,3.2 结构及性质 不对称结构：亲水亲油基团一般分处两端，使其一部分可溶于水而另一部分易自水中逃逸。 疏水基团：脱离水包围的趋势，自身互相靠近并聚集，致使其在水溶液表面上吸附，并在溶液内部形成胶束。 表面张力与lgC：作图可确定CMC,4、相关物性 4.1 表面张力：单位面积的表面自由能。水中加入表面活性剂后，表面张力迅速下降，开始时表面张力随其浓度增加而急剧下降，以后则大体保持平衡。 4.2 胶束：表面活性剂在超过一定浓度范围后急速聚集，形成了所谓的胶束分子或离

4、子集合体。 4.3 显效点（Krafft Point ）:离子型表面活性剂在水中的溶解度在低温时只随温度的升高缓慢增加,温度升至某一值后,溶解度迅速增大,此点为-。该点的浓度为该温度下的CMC。 4.4 浊点（Cloud Point）:缓慢加热非离子表面活性剂的透明水溶液，当表面活性剂开始析出，溶液呈现浑浊时的温度。故非离子表面活性剂在浊点以上不溶于水，而在浊点以下溶于水。,4.5 亲水亲油平衡值HLB（HYDROPHILIC-LIPOPHILIC BALANCE）值 表面活性剂的亲水亲油部分有适当的平衡比例 表面活性剂在界面上形成相当结实的吸附膜与其亲水亲油部分的大小比例有关。 若将HLB作

5、为结构因子的总和来处理，把表面活性剂结构分解成一些基团，每一基团对HLB值均有确定的贡献： HLB=7+（亲水的基团数）-（亲油的基团数） 其中亲水的基团数， 亲油的基团数可查相关手册 对只有-（C2H4O）n-为亲水基的非离子表面活性剂 HLB=E/5（E为表面活性剂中C2H4O 质量百分数） 阴阳离子型表面活性剂的HLB在140之间 非离子型表面活性剂的HLB在10之间,5、表面活性剂的应用 5.1 润湿：固体表面和液体表面接触时，原来的固-气界面消失，形成新的固-液界面。 5.2 渗透作用：借助表面活性剂向物体内部进行渗透。 5.3 乳化作用：互不相溶的两种液体以微小粒子分散于另一种液体

6、中的现象叫乳化。表面活性剂向油水界面吸附，疏水基一端溶入油中，亲水基一端留在水中，定向排列成一层保护层，降低了油水两相界面上的界面张力，降低了油在水中分散所需要的功，达到油与水乳化的目的。,5.4 增溶：也叫加溶，表面活性剂能使某些难溶或不溶于水的有机物在水中的溶解度显著提高。此现象是当处于或高于CMC浓度时才明显表现出来。此时，胶束内部与液状烃近似，为热力学稳定的各向同性溶液。 不同于溶解作用,因为被增溶的有机物是进入表面活性剂的胶团中增加溶解的; 也不同于乳化作用,因为乳化形成的乳化体是外观一般不透明、热力学不稳定体系;而增溶形成的是透明、热力学稳定、各向同性的溶液。,苯乳状液的稳定性显著

7、低于苯增溶体系的原因在于：乳化的苯蒸汽压与纯苯相同；而增溶的苯蒸汽显著低于纯苯；由化学势=+RTlnP，乳状液的化学势大于增溶溶液的化学势。 5.5 分散作用：使固体微粒均匀分散在另一液体内部。 5.6 起泡作用：表面活性剂分子的亲水基向着内部，疏水基向着外部（空气）排列，最后形成双分子膜结构。 5.7 洗涤作用：表面活性剂降低表面张力而产生的润湿，渗透，乳化，分散，增溶等多种作用的综合结果。,5.8 浮选 至少涉及气、液、固三相。 首先是采用能大量起泡的表面起泡剂。 当在水中通人空气或由于水的搅动引起空气进入水中时，表面活性剂的憎水端在气液界面向气泡的空气一方定向， 亲水端仍在溶液内，形成了

8、气泡。 另一种起捕集作用的表面活性剂（一般都是阳离子表面活性剂，也包括脂肪胺），吸附在固体矿粉的表面。这种吸附随矿物性质的不同而有一定的选择性。其基本原理是利用晶体表面的晶格缺陷。而向外的憎水端部分地插入气泡内。这样在浮选过程中气泡就可把指定的矿粉带走，达到选矿的目的。,6、表面活性剂派生的性质及应用 6.1 纤维的柔软整理剂:表面活性剂的亲水基被纤维表面吸附,疏水基背离纤维表面朝向空气,使纤维表面间的摩擦力降低,因而使人感到纤维柔软润滑.作为润滑柔软剂的表面活性剂疏水基具有较长的链烃结构. 6.2 抗静电整理剂:疏水基-增加纤维织物的润滑,降低纤维的摩擦系数,使静电不容易产生;亲水基-吸收水

9、分,使产生的静电容易传递到大气中去,避免静电. 6.3 杀菌剂:阳离子表面活性剂具有较强的杀菌抑菌性,尤其是含有苄基时.,6.4 匀染剂:使染料在纤维织物上均匀上色或延缓上色,并能使染料从纤维的重色区域转移至浅色区域的功能. （A）亲纤维匀染剂 （B）亲染料匀染剂 6.5 防水整理剂:纤维织物或纸张表面常带有负电,一些阳离子表面活性剂由于电荷的相互作用,能吸附在纤维表面上,表面活性剂的疏水基朝外,在纤维表面上形成连续的防水膜,从而产生防水性. （A）分类：不透气型，透气型 （B）方法：吸附法，化学结合法,以十二烷烃为原料通过简单化学反应生成各种表面活性剂,7、各种表面活性剂的合成概述,7.1

10、阴离子表面活性剂 羧酸盐, 硫酸(酯)盐, 磺酸盐, 磷酸(酯)盐(硫酸酯盐, 磺酸盐为目前阴离子表面活性剂的主要类别) 7.1.1羧酸盐型阴离子表面活性剂 通式:RCOO-Na+(K+,NH4+) 硬脂酸钠(十八酸钠)C17H35COONa:皂类洗涤剂 制备方法(1)油脂水解皂化法 (2)硬脂酸直接中和法 7.1.2磺酸盐型阴离子表面活性剂 7.1.2.1十二烷基苯磺酸钠 LAS :C12H25-C6H4-SO3Na 高效去污、润湿、起泡、乳化及分散能力，稳定性好 制备方法:三氧化硫磺化法,以烯烃为原料制备烷基苯磺酸盐：,以烷基苯为原料制备烷基苯磺酸盐：,7.1.2.2琥珀酸磺酸盐(丁二酸酯

11、磺酸盐) 乳化,润湿及渗透能力强 AESM或AESS:脂肪醇聚环氧乙烷醚琥珀酸单酯磺酸钠 典型产品为:月桂醇聚环氧乙烷AEO-3醚琥珀酸单酯磺酸钠 C12H25O(CH2CH2O)3OCCH2CH(SO3Na) COONa, AESM的合成:酯化和磺化,二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(快速渗透剂OT),制备:酯化和磺化,7.1.2.3 仲烷烃磺酸盐-SAS,7.1.2.4 -烯烃磺酸盐-AOS,含量42%,+,内酯含量50%,第一步：,第二步：,7.1.3硫酸酯盐型阴离子表面活性剂 月桂醇聚环氧乙烷酸钠(十二醇聚环氧乙烷醚硫酸钠) AES : C12H25O(CH2CH2O)3OSO3Na

12、润湿,乳化,增溶,去污,钙皂分散性较好 制备:三氧化硫法, 氯磺酸法, 氨基磺化法,67%,33%,AOS是两种化合物的混合物，两种化合物在性能上有互补性。,7.1.4磷酸酯盐型阴离子表面活性剂 AEPS: 十二烷基聚环氧乙烷醚磷酸酯钠盐(月桂醇聚环氧乙烷醚磷酸钠) 包括: 单烷基醚磷酸酯钠盐:乳化,洗涤,起泡,抗静电性好;,双烷基醚磷酸酯钠盐:平滑,集束性好, 水溶性,起泡性,洗涤性相对较差;,制备(1)五氧化二磷法,(2)三氯氧磷法,7.1.5阴离子表面活性剂的生物降解性 (1)表面活性剂在环境因素作用下结构发生变化,从对环境有害的分子转化成对环境无害的小分子. (2)LAS(十二烷基苯磺

13、酸钠 ),AS(烷基磺酸钠 ),AES(十二醇聚环氧乙烷醚硫酸钠),AOS(-烯基磺酸盐)中, AS最易生物降解. 降解速度随磺酸基和烷基链末端距间的距离增大而增大,烷基链长在C6-C12间最易降解. 当阴离子表面活性剂的烷基链带有支链,且长度愈接近主链愈难降解.,7.2 阳离子表面活性剂 含氮阳离子型表面活性剂主要分为胺盐及季铵盐 胺盐:为弱碱性；对pH较为敏感;酸性条件下形成可溶于水的胺盐;碱性条件下游离出胺(常指伯,仲,叔胺的盐) 季铵盐:为强碱；酸性或碱性溶液中均能溶解,并解离为正电荷的脂肪链阳离子。 广泛用作纺织品的防水剂，柔软剂，抗静电剂，染料固色剂,7.2.1脂肪胺盐-制备,7.

14、2.2乙醇胺盐-制备,7.2.3聚乙烯多胺盐-制备,7.2.4季铵盐 胺盐遇碱会生成不溶于水的胺，季铵盐与碱作用能生成一个溶于水的季铵碱与季铵盐的混合物。 具有一个长链烷基的季铵盐在水中的溶解度与长链烷基的碳链长度有关，C8-C14易溶于水，C16-C18难溶于水。 7.2.4.1常规季铵盐 （1）制备:叔胺与烷基化剂反应,（2）季铵化反应的影响因素 胺类碱性增大，亲核性增大，易于季铵化反应 吡啶碱性(PKb=8.8)小于三乙醇胺(PKb=3.24),故吡啶的烷基化速度要比三乙醇胺慢100倍 当吡啶的2,3,4位上连有烷基时,碱性增大,但由于2位的空间位阻增大,反应性下降,空间效应增大，不易于

15、季铵化反应 单烷基随链长(C6-C16)增加,影响不大; 双烷基随链长(C6-C16)增加,有一定影响; 三烷基随链长(C6-C16)增加,影响较大 烷基化剂中卤素键能增大，反应性下降 烷基化速度： IBrClF 烷基化剂中烷基的影响： CH3- CH3CH2- （CH3）2CH- （CH3）3C- 极性溶剂促进季铵化，非极性溶剂对反应影响较小。,7.2.5杂环类阳离子表面活性剂 7.2.5.1咪唑啉型,7.2.5.2吗啉型,7.3 两性表面活性剂 同一分子中既含有阴离子亲水基又含有阳离子亲水基 7.3.1甜菜碱型两性表面活性剂 7.3.1.1羧酸型甜菜碱 季铵盐型阳离子和羧酸型阴离子组成 (

16、1) N-烷基取代的羧酸型甜菜碱-制备,(2) N-酰氨基取代的羧酸型甜菜碱-制备,(3) N-长碳链基硫代羧酸型甜菜碱-制备,7.3.1.2硫酸酯甜菜碱-制备,7.3.1.3磺酸甜菜碱-制备,7.3.2 氨基羧酸型两性表面活性剂 7.3.2.1羧酸型-氨基丙酸型-制备,7.3.2.2N-烷基甘氨酸型-制备,7.3.2.3氨基磺酸型-制备,7.3.3 咪唑啉型两性表面活性剂 7.3.3.1羧酸型咪唑啉-制备,7.3.3.2咪唑啉硫酸酯-制备,7.4非离子表面活性剂 7.4.1性质与分类 在水溶液中不电离,也不易受pH的影响,不易受强电解质无机盐的影响,与其他类型表面活性剂相溶性好 主要包括聚氧

17、乙烯型和多元醇脂肪酸酯型 7.4.2聚氧乙烯型非离子表面活性剂 随烷基链增长,疏水性增大;聚氧乙烯单元数增大,水溶性增大。 溶于水时,水分子以氢键与聚氧乙烯醚的氧原子连结,水分子中的氢原子连到醚键氧原子的”自由电子对”上,溶解是通过与1:(4-6)个水分子水合而完成的.醚的氧原子只有在聚氧乙烯链呈”之”字排列时,才可能结合4-6个水分子。,7.4.2.1脂肪醇聚氧乙烯型非离子表面活性剂的制备,7.4.2.2聚氧乙烯烷基酚型非离子表面活性剂,伯醇:,醚,通式：,制备：,7.4.2.3聚氧乙烯脂肪酸酯型非离子表面活性剂的制备 (1)脂肪酸与环氧乙烷酯化,(2)脂肪酸与聚乙二醇酯化,7.4.3 脂肪酸多元醇酯型非离子表面活性剂 7.4.3.1山梨糖醇酐脂肪酸酯(Span):一般为混合物,Span60的制备：,聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯(Tween)： 由Span分子中残余的羟基与氧化乙烯缩合而成。,7.4.3.2烷基糖苷(APG-Alkyl polyglucoside) APG（葡萄糖和脂肪醇合成的烷基糖苷）的亲水性来自糖上的多个羧基与水