表面活性劑的功能與應用

Chap6表面活性劑的功能與應用——洗滌和去污作用洗滌過程基洗滌劑的作用洗滌：從浸在某種介質(zhì)（一般為水）中的待洗物體表面去除污垢的過程。在此過程中，借助于某些化學物質(zhì)（洗滌劑）以減弱污物與固體的粘附作用，并施加以機械攪動，使污物與固體表面分離而懸浮于液體介質(zhì)中，最后將污物洗凈沖走。洗滌過程可表示為：物體表面·污垢＋洗滌劑＋介質(zhì)物體表面·洗滌劑·介質(zhì)＋污垢·洗滌劑·介質(zhì)洗滌劑在洗滌過程中的作用：一是去除物品表面的污垢，另一種作用則是對污物的懸浮分散作用，使之不易在物品表面再沉積。洗滌過程是一個可逆過程，分散和懸浮于介質(zhì)中的污垢也有可能從介質(zhì)中重新沉積于固體表面。洗滌劑的作用：一是降低污垢與物體表面的結(jié)合力，具有使污垢脫離物體表面的能力，一般通過降低水的表面張力，改善水對洗滌物表面的潤濕性，從而去除固體表面的污垢。表1：一些纖維材料的臨界表面張力和水在其表面的接觸角纖維材料臨界表面張力γc/mN/m接觸角聚四氟乙烯18108聚丙烯2990聚乙烯3194聚苯乙烯3391聚酯4381尼龍－6，64670聚丙烯腈4448纖維素（酯）440.32一般加入洗滌劑后，水的表面張力降至30mN/m，洗滌劑的水洗液在上述各物品的表面都能具有很好的潤濕性，促使污垢脫離織物表面，發(fā)揮其洗滌作用。二是防止污垢再沉積作用：主要對油污的分散和懸浮作用，也就會使已經(jīng)從固體表面脫離下來的污垢，很好的分散和懸浮在洗滌介質(zhì)中，不再沉積在固體表面。如：陰離子表面活性劑的洗滌劑吸附在油水界面，使油水界面帶負電，而相互阻止已乳化液體污垢的乳滴聚集。也能使進入水相的固體污垢表面帶電。依靠污垢表面同種電荷產(chǎn)生的靜電斥力提高固體污垢在水中的分散穩(wěn)定性，防止其重新沉積固體表面。非離子表面活性劑的洗滌劑通過較長的水化聚氧乙烯鏈產(chǎn)生空間位阻，來阻止油污和固體污垢的聚集，提高在水中的穩(wěn)定性。污垢的種類：1、液體污垢：動、植物油，礦物油2、固體污垢：塵埃，粘土，鐵銹，炭黑3、特殊污垢：蛋白質(zhì)，淀粉，人體分泌物污垢的粘附特性：一般污垢對表面的粘附主要通過范德華力，一般無氫鍵，如果形成氫鍵，污斑難以去除。水介質(zhì)中，靜電力一般要弱得多。不同性質(zhì)的表面與不同性質(zhì)的污垢有不同的粘附強度。以水為介質(zhì)洗滌過程為例：非極性（如炭黑、石油等非極性油污）比極性污垢（如極性脂肪物質(zhì)、粉末、粘土）不容易洗凈。疏水表面（如聚丙烯、聚酯等塑料）上的非極性污垢比在親水表面（如棉花、玻璃）上更不易去除。親水表面的極性污垢比疏水表面上不易洗凈。污垢的去除污垢與物品的附著是通過不同的相互作用來實現(xiàn)的，因而污垢去除機理也是不同的。如：機械作用、化學試劑作用（如漂白劑、還原劑及酶等作用）、表面活性劑作用應用表面活性劑去除的污垢一般是通過物理吸附（范德華力、偶極相互作用）或是靜電作用而附著于基質(zhì)（物品）上的。去除污垢一般涉及表面活性劑自介質(zhì)中吸附于污垢及基質(zhì)表面的效應。吸附改變了污垢/介質(zhì)界面及基質(zhì)/介質(zhì)界面的界面張力和電勢，可促進污垢的去除。據(jù)不同的去除污垢機理，污垢的去除可分為液體和固體污垢的去除。液體污垢的去除在固（S）油（O）氣（G）三相界面上的油污的接觸角近于0°（油污鋪展）洗滌時，固、油、氣→固、油、水由原來γSGγOG和γSO變?yōu)棣肧WγOW和γSO根據(jù)楊氏方程，水介質(zhì)中存在如下公式：γSO－γSW＝γOWcosθw 洗滌劑作用γSW↓γOW↓一般情況洗滌劑不溶于油，故不能在固－油界面吸附γSO不變。因此根據(jù)γSO－γSW＝γOWcosθwcosθw＝(γSO－γSW)/γOW↑θw↓→油垢卷縮液體油垢的去除程度與油污在固體表面的接觸角θo有關。θo為180°污垢自發(fā)脫離90°＜θo＜180°不能自發(fā)脫離，但可被水力沖走θo＜90°即使運動液沖擊，仍然會有一小部分油殘留于固體表面固體污垢的去除物質(zhì)表面的固體污垢與擴大成一片的液體油污不同，往往僅在較少的一些點與表面接觸粘附。發(fā)生粘附的主要作用是分子間的范德華力，其他力則弱得多。靜電引力可以加速空氣中灰塵在固體表面的粘附，但并不影響粘附強度。固體污垢與固體表面的粘附強度受各種因素的影響，隨接觸時間的延長和空氣濕度的增大而增強。溶于水中的洗滌物品，其表面與固體污垢的粘附力比在空氣中小得多。固體污垢得去除主要由于表面活性劑在固體污垢及待洗物體表面吸附，其過固－液界面，最終使固體污垢與固體表面發(fā)生脫離。γOW和γSW降低越低，油污被“卷縮”得越完全。表面活性劑在界面上得吸附狀態(tài)陰離子表面活性劑：水介質(zhì)中，一般固體表面帶負電，由于電斥力不利于陰離子表面活性劑的吸附。一般固體表面的非極性強，通過固體分子與表面活性劑碳氫鏈間的范德華力克服電斥力，從而以疏水鏈吸附固體表面。陰離子極性頭伸入水中的狀態(tài)吸附于固－液界面上。非離子表面活性劑:在非極性纖維上的吸附，是通過表面活性劑的疏水性碳氫鏈與纖維分子碳氫間的范德華力作用實現(xiàn)的。對于極性纖維如天然纖維（棉），非離子表面活性劑在親水性強的棉纖維上的吸附是通過聚氧乙烯鏈中的醚鍵氧原子與棉纖維表面的羥基形成氫鍵實現(xiàn)的。因此，纖維－水界面上表面活性劑以極性的親水基吸附于棉纖維的表面，而疏水基朝向水中，使得棉纖維變得疏水性。因此，非離子表面活性劑不宜用于洗滌天然棉纖維。兩性表面活性劑：吸附與離子型和非離子表面活性劑相似。對非極性的固體表面，通過范德華力以疏水基吸附于固體表面，以親水的陰離子或銨陽離子極性頭伸進水相，使非極性疏水表面變親水表面，有利于污垢的去除和分散、懸浮，不易發(fā)生再沉積，提高了洗滌效率。陽離子表面活性劑不適宜用于作洗滌劑組分。表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)主要是非極性疏水鏈長度，鏈長越長，洗滌效果越好。如烷基硫酸鈉，16、18烷基在較低用量時可獲得良好的洗滌效果，其次14烷基硫酸鈉，而十二烷基和十烷基洗滌效果差。但脂肪酸鈉情況不一樣，洗滌效果：低溫18酸鈉＜16酸鈉高溫18酸鈉＞16酸鈉高溫時18酸鈉的溶解度大。乳化和起泡作用液體油污經(jīng)“卷縮”成油珠，從固體表面脫離進入洗滌液，有很多被洗物品表面相接觸而粘附于物體表面的機會，通過表面活性劑的乳化作用，可以使油污乳化并穩(wěn)定地分散懸浮于洗滌液中，有效地阻止了液體油污再沉積過程的發(fā)生。洗滌劑乳化性能越強，洗滌效果越好。日常生活中，人們認為一種洗滌液的好壞取決于起泡作用，洗滌過程中泡沫越多，洗滌效果越好。實際上，表面活性劑的起泡作用對洗滌效果有一定的效果，但二者之間并沒有直接的相關性。如低泡洗滌，效果也很好。洗滌液形成泡沫，可以有利于玻璃等硬表面物的油滴和塵土帶走。表面活性劑增溶作用一般認為液體污垢的去除是通過表面活性劑的增溶作用實現(xiàn)的，事實并非如此。當洗滌過程使用臨界濃度（CMC）較大的陰離子表面活性劑作洗滌劑時，表面活性劑膠束的增溶作用不是影響液體油污去除的主要因素。原因：實際洗滌過程中，表面活性劑的添加