4表面活性剂.ppt

1、胶体与界面化学 轻化工程专业,2.5 Surface active agent (Surfactant),1.Definition: 加入少量就能显著降低液体表面张力的 物质。,2. Molecular structure and classification,双亲分子 amphiphilic molecule,C12H25 SO3Na,non-polar group Hydrophobic group water-hating group oil-loving group,polar group Hydrophilic group water-loving group oil-hating

2、qroup,表面活性剂的分类,按离子类型分类 阴离子、阳离子、两性、非离子型表面活性剂 按溶解性分类 水溶性和油溶性 按分子量分类 *分子量10000 高分子表面活性剂（分散絮凝乳化等有独特作用） *分子量100010000 中分子表面活性剂 *分子量100-1000 低分子表面活性剂（常用） 按用途分类,餐具洗涤剂配方（表面活性剂应用例子）,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（阴离子）（15%） 洗涤剂、发泡剂，硬水中稳定，溶液中呈中性或微碱性 脂肪醇聚氧乙烯醚 （非离子） （5%） 润湿、乳化效果好，耐硬水、可低温洗涤 烷基醇酰胺 （非离子） （5%） 发泡、稳泡、增稠、增溶 苯甲酸钠 （杀菌剂） （

3、2%） 乙醇 （溶剂） （3%） 色料、水 （水）,3. State of surfactant in water,在表面： 形成定向的，单分子层排列,在内部：形成胶束（团） （micelle),临界胶束浓度 cmc (critical micelle concentration) 表面活性剂溶液开始大量形成胶束的浓度,当溶液中表面活性剂的浓度超过一定值时,4. Physical and chemical properties of surfactant solution,增溶作用,渗透压,表面张力,摩尔电导率,cB,cmc,5.表面活性剂的几种重要作用和应用,增溶作用 润湿与渗透 分散与絮凝

4、 乳化和破乳 发泡和消泡,表面活性剂的增溶作用,实验中发现:(1)100克水溶解0.07克苯;100克10%油酸钠溶液克溶解苯9克,说明什么问题? 低于临界胶束浓度时,基本没有增溶作用 实验发现:增溶后对溶液的依数性影响很少,你认为增溶与溶解是否相同? 结论: (1)增溶作用与溶液中的表面活性剂有关 (2)增溶作用不是真正的溶解,溶质在增溶过程中没有拆成单个分子或离子,因为溶液的依数性没有改变 (1)增溶作用与胶束的有关.,增溶作用的应用,洗涤作用:被洗下的污垢增溶于溶剂胶束内部,可防止污垢重新附着于织物上 小肠不能直接吸收脂肪,但能通过胆汁对脂肪的增溶而将其吸收 采油工业中“胶束驱油”工艺：

5、配制含有水、表面活性剂和油的“胶束溶液”，其能润湿岩层，溶解原油，并洗下附于岩层上的原油。因而提高采油率,L,黏附功, 0 润湿,S, 0 铺展,铺展系数,S,L,平衡时,Young equation,:接触角,s-g 90o, 不能润湿 ,s-gs-l,(s-g-s-l)l-g, , 铺展,润湿作用,什么是润湿作用？如何判断润湿状况及其程度？ 润湿的应用：采油、农药、机器用的润滑油、感光剂的涂布、防水雨布等,表面活性剂在轻工领域中的应用及其对生态环境的影响,表面活性剂在轻工领域中的应用(精细化工品、纺织助剂、皮革助剂、环境污染修复等) 表面活性剂对环境污染修复的研究与进展 表面活性剂与环境

6、含磷洗衣粉及磷对环境的影响 生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 土壤环境与表面活性剂 生态型表面活性剂,文献范例,基于表面活性剂的重金属去除技术 环境科学与技术2004年8月 表面活性剂的生态毒理学及其应用研究进展 安全与环境学报2004年6月 表面活性剂废水的危害及处理技术 工业水处理2003年10月 表面活性剂对土壤粘粒絮凝-分散的作用 环境科学研究2003年3月 表面活性剂对受污染环境修复作用的研究进展 上海环境科学1999年9月,文献导读与讨论,基于表面活性剂的重金属去除技术所涉及的表面物理化学的原理与方法？ 通过表面活性剂的生态毒理学及其应用研究进展文献，你如何理解表面活性剂与环境

7、的关系？ 表面活性剂废水的危害及处理技术中提到的表面活性剂废水来源？危害？如何处理？ 表面活性剂对土壤粘粒絮凝-分散的作用，为什么有这种应用？原理？ 表面活性剂对受污染环境修复作用的研究进展，如何修复？原理？应用？,关于表面活性剂,表面活性剂的定义、分类与结构特点 表面活性剂在界面上的吸附与吉布斯公式 表面活性剂的临界胶束浓度与胶束理论 表面活性剂的亲水亲油平衡问题；HLB值 表面活性剂的作用与应用,2.6 不溶性表面膜 ( insoluble surface film),当两亲分子的疏水基达到一定的程度，其在水 中的溶解可被忽略，而通过铺展在水面上形成 的单分子层，称为不溶性表面膜。,1.

8、表面膜的形成,1765年，Franklin的实验,2.液体的铺展,液体的铺展,1,3,2,r(1.3),r(1.2),r(2.3),若:(2.3)(1.3) + (1.2) 液体1可以在液体2上铺展. 若液体2是水,则2.3很大，在这种界面上有机液体1都 可以铺展 S = (2.3)(1.3) + (1.2)；S0, 液体铺展,结论：铺展系数为正的物质才能在水面上铺展,能形成单分子膜的分子的结构： 一端含有一个极性基团，使分子具有一定的亲水性，增强其与水分子之间的吸引力 另一端是适当长的或大的疏水非极性部分，以保证其不溶于水的特性。 3.不溶性单分子膜的性质 (1)表面压,3. Surface

9、 pressure,浮片A的右边是干净的，表面张力为0。,浮片A的左边是含有不溶性两亲分子的水，其 表面张力为。 0 浮片被推向纯水一边。 浮片受到不平衡力的作用，因此产生表面压力。表面压是两维空间运动质点即表面分子对浮片碰撞结果。 表面压的定义：表面压是表面膜对单位长度的浮片所施加的力。单位mN/ m。,Definition,A,B,W,M,测量表面压的装置： Langmuir 膜天平 一般，= 3050 mN/m 若膜厚约为2.5 nm, = 1.5107 kPa 150 atm,4.不溶膜的类型,a,气态膜,气液平衡区,液态扩张膜,凝聚膜,a：成膜分子平均 占有面积,单分子膜各种状态分子

10、图象示意图,界面化学P102,5.单分子膜的应用界面化学P104,分子结构的测定 成膜物分子量的测定 抑制液体的蒸发 研究界面化学反应 例:直链高级脂肪酸、脂肪醇在水面上展开形成单分子膜，能抑制水分蒸发，降低应蒸发而损失的热量，使水温升高。例二十烷醇、-羟己基二十二烷基醚。,6. LB技术和LB膜,在适当的条件下，将不溶性单分子或多分子膜 转移到固体基质上并保持其定向排列的分子结构， 称为LB技术，所形成的单分子或多分子层膜称为 LB膜。,Franklin(1706-1790) Shiekds(1822-1890) Aitken(1839-1919) Rayleigh(1842-1919) P

11、ockels(1862-1935) Langmuir(1881-1957) Blodgett(1898-1979) Langmuir 膜 因Langmuir提出的有关气液界面的吸 附理论奠定了单分子层的理论基础，现在称气液界面上的单分子层为Langmuir 膜。, LB技术和LB膜,1935年，I. Langmuir的学生和助手K.Blodgett将langmuir膜转移到固体衬底上，成功地制备出第一个单分子层积累的多层膜，这就是我们所称呼的Langmuir-Blodgett 膜-LB膜。 而这种将气液界面上的单分子层转移到固体基片上的技术就被命名为-LB技术。, 制备LB膜设备,应该包括 膜

12、天平 和 膜转移装置两部分。 一般有： 1、Langmuir槽：槽表面为惰性材料涂层，便于清洗，不易污染。 2、独立可动的障条：可由马达驱动，改变表面压和面积。 3、压力传感器：监测表面压 4、沉积提拉机构：固定基片，速度可调，平稳能往复穿过膜/水界面，0.5-10mm/min。 5、电路反馈系统：能实现拉膜过程中表面压恒定和单分子膜的自动调整。,y型沉积 (基片头尾尾头 ) 基片在上升和下降时均可挂膜 .所得 LB膜的层与层之间是亲水面与亲水面 ,疏水面与疏水面相接触 .这种形式最为常见 .,z型沉积 (基片头尾头尾 ) 与 x型膜相反 ,基片上升时挂膜 ,下降时不挂 .要求基片表面为亲水性

13、的,x型沉积 (基片尾头尾头 ) 基片只在下降时挂上单分子膜 ,而在上升时不挂膜 .所得膜特点是每层膜的疏水面与相邻的亲水面接触 .所用基片表面应是疏水性的 .,LB膜的类型,影响LB膜的因素与表征手段,基板性质、尺寸、预处理条件、界面温度、基板垂直提拉速度、雷击、累计层数、部件污染程度、分子铺展的均匀程度与杂质等 表征层数、厚度、缺陷、膜内聚合反应等性质 电子自旋共振、表面电位、扫描隧道显微镜、X射线衍射或中子衍射二次离子质谱等手段, LB膜的应用前景,LB膜的无源器件应用： 电子束刻蚀 润滑材料 分子导线和二维导电膜 超薄绝缘膜 液晶器件（铁电液晶的表面取向）, LB膜的有源器件应用： 光电转换膜（分子电池和分子开关） 电光转换膜（电致发光平板彩色显示器） 光致变色膜（高密度并行多信号记录材料） 非线性光学膜（各种非线性器件） 各类传感器（红外，气敏等） 仿生膜（嗅觉、视觉等人工器件） 等等。 这些令人兴奋的应用前景，吸引了大批学者投身其研究，使得LB膜成为化学、物理、生物、医学、电子学、光学、材料学等于一体的边缘科学，成为当前研究的热点。,LB膜的缺陷：,热稳定性差； 机械强度较低，为分子间力； 寿命较短，膜结构易随时间变化； 等问题使得LB膜器件