《表面活性劑》課件.ppt

第十章,表面活性劑,表面活性劑是20世紀(jì)40年代初開發(fā)研制、50年代迅速發(fā)展起來的一種新型化學(xué)品。表面活性劑是許多工業(yè)部門必要的化學(xué)助劑，廣泛地應(yīng)用于紡織、制藥、化妝品、食品、造紙、皮革、土建、采礦以及民用洗滌等各個領(lǐng)域，主要用作潤濕劑、滲透劑、洗滌劑、乳化劑、勻染劑、固色劑、發(fā)泡劑、消泡劑等，其用量雖小，但收效甚大，被喻為工業(yè)味精。,概述,第一節(jié)表面活性劑的概述,第三節(jié)表面活性劑的基本性質(zhì),第四節(jié)表面活性劑的應(yīng)用,第二節(jié)表面活性劑的分類,第10章表面活性劑Surfactant,水滴為什么是圓形而不是方形,它們?yōu)槭裁纯梢云谒嫔?一、表面活性劑的概念,界面（interface）是指物質(zhì)的相與相之間的交界面。兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)。（五類）,表面（surface）兩相中有一相是氣體的界面。嚴(yán)格講是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面氣/固、氣/液,相（phase）具有相同成分、相同物理化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì),界面吸附(interfaceabsorbent)溶于液體中的物質(zhì)，被吸附于液體的表面，溶液表面層的濃度大于溶液內(nèi)部的濃度，這種現(xiàn)象稱為界面吸附。,界面現(xiàn)象（interfacephenomenon）界面分子和相內(nèi)分子所受力不相同，因而產(chǎn)生各種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱表面現(xiàn)象。產(chǎn)生的主要原因是表面分子與相內(nèi)分子存在著能量差別,處于液態(tài)表面層的分子受到液體內(nèi)部分子的引力,液面分子有向液體內(nèi)部移動的傾向，即液體表面積具有自動收縮的能力,液體就像張緊的彈性膜一樣。,表面現(xiàn)象的微觀成因,表面張力升高-無機(jī)鹽，含羥基較多的鹽-無表面活性,表面張力逐漸下降低碳醇，羧酸等表面活性物質(zhì),表面張力急劇下降表面活性劑,表面活性劑：具有很強(qiáng)表面活性、能使液體的表面張力顯著下降的物質(zhì)。,表面活性物質(zhì)(Surfaceactivematerial),能使水的表面張力降低的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。,這種物質(zhì)通常含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)有機(jī)化合物。親水基團(tuán)進(jìn)入水中，憎水基團(tuán)企圖離開水而指向空氣，在界面定向排列。,表面活性物質(zhì)的表面濃度大于本體濃度（正吸附），增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大，表面活性也愈大。,非表面活性物質(zhì),能使水的表面張力升高的溶質(zhì)稱為非表面活性物質(zhì)。如無機(jī)鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。,這些物質(zhì)的離子有水合作用，趨向于把水分子拖入水中，非表面活性物質(zhì)在表面的濃度低于在本體的濃度。,如果要增加單位表面積，所作的功中還必須包括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升高。,CompanyLogo,非極性親油碳?xì)滏渉ydrophobicgroup,表活劑結(jié)構(gòu),極性親水基團(tuán)hydrophilicgroup,二、表面活性劑的structure,surfactant,表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征,兩親結(jié)構(gòu)（amphiphilic）：由非極性烴鏈（憎水性即親油性）和一個以上的極性基團(tuán)（親水性）組成親油基團(tuán)和親水基團(tuán)強(qiáng)度的相互平衡(HLB值）,直鏈烷基（C8C20）；支鏈烷基（C8C20）；烷基苯基（烷基為C8C16）；烷基萘基（烷基碳原子數(shù)在3以上，且烷基數(shù)目一般為兩個）；松香衍生物；高分子量聚氧丙烯基；長鏈全氟（或高氟代）烷基；全氟聚氧丙烯基（低分子量）；聚硅氧烷基。,表面活性劑的親油基,以上親油基的親油性強(qiáng)弱順序為：全氟代烴脂肪族烴基脂肪族側(cè)鏈芳烴基芳烴基帶弱親水基的烴基,表面活性劑的親油基,C8時，表面活性隨碳鏈的增長而提高。C=812時（碳鏈較短），潤濕、滲透作用好；C=1218時（碳鏈較長），洗滌、乳化分散作用好。例：烷基磺酸鈉：C=1418，洗滌劑；C0時，鋪展過程是一個自由能降低的過程，鋪展可自發(fā)進(jìn)行，液體可以在固體表面上自動展開，液體會逐漸連續(xù)地從固體表面取代氣體。只要液體的量足夠多，液體將會自發(fā)地鋪展在整個固體表面上。,潤濕是一種界面現(xiàn)象，潤濕過程中界面的性質(zhì)和體系的能量會發(fā)生變化。潤濕發(fā)生的條件為：,沾濕,浸濕,鋪展,如果S0，則一定是Wa0，Wi0，也就是說，鋪展的標(biāo)準(zhǔn)是濕潤的最高標(biāo)準(zhǔn)。能鋪展則必能沾濕和浸濕。反之則不然，所以將鋪展系數(shù)作為體系潤濕性的指標(biāo)。,從Wa，Wi和S的定義可以看出：固氣，固液和氣液對潤濕過程的影響為：sg越大，Wa，Wi和S就越大，就越有利于沾濕、浸濕和鋪展等潤濕過程。sl越小，Wa，Wi和S就越大，就越有利于沾濕、浸濕和鋪展等潤濕過程。lg對三種潤濕過程的影響不相同。lg越大，越有利于沾濕。lg越小，越有利于鋪展。浸濕過程與它無關(guān)。,3.5.1.2接觸角與濕潤過程,在氣、液、固三相交界點，氣-液與氣-固界面張力之間的夾角稱為接觸角，通常用q表示。,當(dāng)Wa，Wi和S大于零過程自發(fā)進(jìn)行，因液體的表面張力lg0，1800，沾濕過程即可進(jìn)行。沾濕過程是任何液體和固體之間都能進(jìn)行的過程。900浸濕過程即可進(jìn)行若=00或不存在，鋪展過程即可進(jìn)行,沾濕：Wa=ls+lg-sg=lg(cos+1)浸潤：Wi=ls-sg=lgcos鋪展：S=ls+lg-sg=lg(cos-1),習(xí)慣上人們更常用接觸角來判斷液體對固體的潤濕90o潤濕；90o不潤濕；=00或不存在完全潤濕；=180o完全不潤濕。,(1)提高液體的潤濕能力（在水中加入表面活性劑降低表面張力，使水在固體發(fā)生鋪展）-潤濕劑(2)改變固體表面的潤濕性質(zhì)（極性基團(tuán)吸附在固體表面，非極性基團(tuán)朝向氣體形成定向排列吸附層，反潤濕作用）-防水劑,3.5.1.3表面活性劑的濕潤功能,農(nóng)業(yè)：要農(nóng)藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農(nóng)藥中加表面活性劑；,材料工業(yè)：如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于90；,3.5.1.4潤濕現(xiàn)象的應(yīng)用,鋼鐵工業(yè)：在熔煉中要求鋼水與爐渣不潤濕，否則彼此不易分離,冶金工業(yè)：澆鑄工藝中熔融金屬和模具間的潤濕程度直接關(guān)系到澆鑄的質(zhì)量,能源：熱電廠滴狀冷凝；三次采油,3.5.2起泡作用,“泡”就是由液體薄膜包圍著氣體。即：氣體分散在液體中的一種分散體系。氣體是分散相，流體是分散介質(zhì)。表面活性劑和水可以形成一定強(qiáng)度的薄膜，包圍著空氣而形成泡沫，這種表面活性劑稱為起泡劑（foamingagent）。,3.5.2.1起泡劑的定義,起泡劑分子在氣泡表面定向排列以后，當(dāng)兩個氣泡接觸碰撞時，中間墊著兩層起泡劑分子及它們極性基的水化層，因此氣泡較難兼并，小氣泡容易保存下來，同時小氣泡比大氣泡更能經(jīng)受外力的振動，其穩(wěn)定性更強(qiáng)。,3.5.2.2起泡劑的作用原理,起泡劑分子以一定的取向吸附于氣液界面上，非極性基朝向空氣，亦即指向氣泡內(nèi)部。極性基朝向水，并吸引著水分子（極性端被水化）。所以起泡劑分子能夠降低泡壁間水層流動速度及蒸發(fā)速度，這樣就防止了泡壁的破裂。,起泡劑使氣泡表面具有彈性，如同具有彈性的橡皮薄膜一樣。起泡劑分子的定向排列降低了表面張力，氣泡受到外力作用變形時，泡壁界面也增大，就引起氣泡表面層起泡劑分子濃度降低，而氣液界面的表面張力則顯著增大，這種表面張力的增大一方面有利于約束氣泡內(nèi)氣體分子向外沖出，另一方面使氣泡產(chǎn)生較大的收縮力，克服了使氣泡發(fā)生破裂的外力。,起泡能力和泡沫穩(wěn)定性是兩個概念。有些表面活性劑的起泡能力較好，但生成的泡沫的穩(wěn)定性不一定好，此時可加入穩(wěn)泡劑來改善泡沫的穩(wěn)定性。起泡劑主要是各種表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉和十二胺的鹽酸鹽等。而蛋白質(zhì)、明膠、炭末和礦粉對泡沫也有良好的穩(wěn)定作用。,3.5.2.3穩(wěn)泡劑及泡沫穩(wěn)定性,起泡劑通常有較強(qiáng)的親水性和較高的HLB值，在溶液中可降低溶液的界面張力而使泡沫穩(wěn)定。,在產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫情況下，加入一些HLB值為13的親油性較強(qiáng)的表面活性劑，則可與泡沫液層爭奪液膜表面而吸附在泡沫表面上，代替原來的起泡劑，而其本身并不能形成穩(wěn)定的液膜，故使泡沫破壞，這種用來消除泡沫的表面活性劑稱為消泡劑少量的辛醇、戊醇、醚類、硅酮等也可起到消泡作用。,也有時要使用消泡劑（antifoamingagent），在制糖、制中藥過程中泡沫太多，要加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┙档捅∧?qiáng)度，消除氣泡，防止事故。,3.5.2.4消泡劑,用于浮游選礦、泡沫滅火和洗滌去污等。,3.5.2.5發(fā)泡、消泡劑的應(yīng)用,浮游選礦,首先將粗礦磨碎，傾入浮選池中。在池水中加入捕集劑和起泡劑等表面活性劑。,攪拌并從池底鼓氣，帶有有效礦粉的氣泡聚集表面，收集并滅泡濃縮，從而達(dá)到了富集的目的。,不含礦石的泥砂、巖石留在池底，定時清除。,捕集劑是將親水的礦物表面變?yōu)槭杷谋砻妫岳诘V物易粘附于氣泡上的藥劑。起泡劑是為使有用礦物有效地富集在空氣與水的界面上，加入起泡劑造成大量的界面，產(chǎn)生大量的泡沫。,浮游選礦的原理圖,選擇合適的捕集劑，使它的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。,當(dāng)?shù)V砂表面有5%被捕集劑覆蓋時，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收集。,浮游選礦的過程,4.乳化作用,一種或幾種液體以大于10-7m直徑的液珠分散在另一不相混溶的液體之中形成的粗分散體系稱為乳狀液。,1.水包油乳狀液，用O/W表示。內(nèi)相為油，外相為水，這種乳狀液能用水稀釋，如牛奶等。,2.油包水乳狀液，用W/O表示。內(nèi)相為水，外相為油，如油井中噴出的原油。,簡單的乳狀液通常分為兩大類。習(xí)慣上將不溶于水的有機(jī)物稱油，將不連續(xù)以液珠形式存在的相稱為內(nèi)相，將連續(xù)存在的液相稱為外相。,乳狀液的辨別,外觀鑒別、電導(dǎo)法、光折射法混合法：乳狀液容易分散到構(gòu)成其外向的液體中。濾紙濕潤法：染色法：油溶性染料蘇丹可以使W/O整體著色，對于O/W只能使液珠著色；水溶性亞甲基藍(lán)則相反,（一）降低界面張力當(dāng)水相與油相混合時，加入表面活性劑（乳化劑）可降低油水的界面張力，分散成穩(wěn)定的乳劑。,（二）形成牢固的乳化膜乳化劑降低油水界面張力的同時被吸附于乳滴的表面上，并有規(guī)律地定向排列形成膜，可阻止乳滴的合并。在乳滴周圍形成的乳化劑膜稱為乳化膜。乳化劑在乳滴表面上排列越整齊，乳化膜就越牢固，乳劑也就越穩(wěn)定。,乳化劑的作用,有時為了破壞乳狀液需加入另一種表面活性劑，稱為破乳劑，將乳狀液中的分散相和分散介質(zhì)分開。例如原油中需要加入破乳劑將油與水分開。,5.洗滌作用,洗滌劑中通常要加入多種輔助成分，增加對被清洗物體的潤濕作用，又要有起泡、增白、占領(lǐng)清潔表面不被再次污染等功能。,其中占主要成分的表面活性劑的去污過程可用示意圖說明：,A.水的表面張力大，對油污潤濕性能差，不容易把油污洗掉。,B.加入表面活性劑后，憎水基團(tuán)朝向織物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脫離表面。,C.污垢懸在水中或隨泡沫浮到水面后被去除，潔凈表面被活性劑分子占領(lǐng)。,洗滌劑（detergent）用表面活性劑HLB值一般為1315。常用的表面活性劑有油酸鈉和其它脂肪酸的鈉鹽、鉀鹽、十二烷基硫酸鈉或烷基磺酸鈉等陰離子性表面活性劑。去污劑的機(jī)理較為復(fù)雜，包括對污物表面的潤濕、分散、乳化或增溶、起泡等多種過程。,消毒和殺菌作用大多數(shù)陽離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑都可用作消毒劑，少數(shù)陰離子表面活性劑也有類似作用，如甲酚皂、甲酚磺酸鈉等。機(jī)理：分子中的親油基能緊密地吸附于細(xì)菌表面，改變細(xì)胞壁的通透性、改變細(xì)菌細(xì)胞的滲透壓，進(jìn)而破壞細(xì)菌與周圍環(huán)境的相對平衡，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。,表面活性劑的其它作用,分散和凝聚分散是指內(nèi)相為不溶性微粒分布在外相為液體或半固體中組成的粗分散體系懸浮液。由分散相、連續(xù)相、分散劑組成。分散劑是一種在分子內(nèi)同時具有親油性和親水性兩種相反性質(zhì)的界面活性劑?？删环稚⒛切╇y于溶解于液體的無機(jī)，有機(jī)顏料的固體顆粒，同時也能防止固體顆粒沉降和凝聚，形成安定懸浮液所需要的藥劑。,表面活性劑吸附于固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤。高分子型的分散劑，在固體顆粒的表面形成吸附層,使固體顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力。使固體粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu),外層分散劑極性端與水有較強(qiáng)親合力,增加了固體粒子被水潤濕的程度.固體顆粒之間因靜電斥力而遠(yuǎn)離使體系均勻，懸浮性能增加，不沉淀，使整個體系物化性質(zhì)一樣,凝聚凝聚往往是一些相對分子質(zhì)量較大的表面活性劑或極性聚合物，通過吸附、架橋凝聚。若高分子絮凝劑的相對分子質(zhì)量偏小用量偏高包圍分散微粒、空間效應(yīng)乳化分散作用。吸