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表面活性剂及其在118论坛中的应用:表面活性剂的基础知识—表面活性剂的基本性质及用途

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-26  浏览次数:726

表面活性剂的基本性质及用途

(一)润湿与渗透

当水浸湿固体时,例如在浸湿玻璃时,只要在水中放入少许表面活性剂就变得极易浸润,我们将这种表面活性剂有助于润湿的作用叫做润湿作用。例如,水滴落在石蜡表面后马上会被弹开,石蜡几乎一点也不沾湿,但是在水中一旦加入少量表面活性剂石蜡就易被浸湿。

想用水浸湿厚毛毡,无论如何也难浸透。放入表面活性剂后就很容易使之浸透。这时表面活性剂的这种作用称为渗透作用。

如在固体的表面上分别滴上一滴水和一滴表面活性剂溶液,这时就会发现水滴的形状有所差别,如图5-5(a)、(b)所示。

 

图5-5液体在固体表面的形态

看到这两种形状的水滴后,马上就会知道(b)比(a)容易浸湿。度量的办法就是图5-5所表示的角度口,此角称为接触角。接触角越接近θ。就容易润湿,越接近l800时越难润湿。当接触角等于l800时完全不能润湿而被弹起,这就相当于水滴掉在植物的叶子上完全形成球状的情况,如图5-5(c)所示。

表面活性剂降低表面张力的作用实质上就是减少接触角θ,起到增大润湿与渗透的作用。

(二)乳化与分散

在液体中如果混有另一种液体,例如极细微的油粒子分散在水中,就叫做乳状液;如果液体中有极细的固体粒子分散在其中,就叫做悬浮液。这里所说的细粒子直径大约在0.1μm(1μm=0.O01mm)到数十μm之间。

油等物质一旦变成如此小的粒子时,它与水的接触面积就显著增大,因此与水的排斥力(表面张力)也就增大了,这就是难以乳化的原因。通过降低表面张力使之易于乳化(或分散)正是表面活性剂的作用。

常见的乳状液,一相是水或水溶液;另一相是与水不相混溶的有机物,如油脂、蜡等。水与油形成的乳状液,根据其分散形态可以分为两种:油分散在水中形成水包油型乳状液,以o/w(油/水)表示;水分散在油中形成油包水型乳状液,以w/o(水/油)表示。

无论是乳状液或悬浮液,由于两相界面面积增大,这种体系在热力学上是不稳定的。为了使乳状液和悬浮液稳定起见,需要加入乳化剂或分散剂。为了促进乳化而添加的表面活性剂或其他物质叫做乳化剂;为了促进分散而添加的表面活性剂或其他物质叫做分散剂。它们必须具备的条件如下。

①能吸附或富集在两相的界面上,使界面张力降低。

②乳化剂或分散剂通过吸附赋予粒子以电荷,使粒子间产生静电排斥,或在粒子周围形成一层稳定的、黏度特别高的保护膜。所以,用作乳化剂或分散剂的物质必须具有两亲基团才能起作用,表面活性剂是能满足此要求的最佳乳化剂或分散剂。

乳化分散剂是如何选择呢?

分子内含弱亲水基越多的被乳化物质所要求的H.L.B.值越大,被乳化物的亲水性越大对乳化剂要求的H.L.B.值也越大。表5-9是乳化剂要求的H.L.B值。

表5-9乳化剂要求的H.L.B.值

 

要求的乳化剂H.L.B.值

 

要求的乳化剂H.L.B.值

被乳化物

W/O型(油中水)乳液

O/W (水中油)乳液

被乳化物

W/O型(油中水)乳液

O/W (水中油)乳液

硬脂酸

鲸蜡醇

四氯化碳

二甲基酞

煤油

无水羊毛脂

石脑油

棉籽油

矿物油(重质)

矿物油(轻质)

   ——

   ——

   ——

   ——

   ——

   8

   ——

   ——

   4

   4

   17

   13

   9

   i5

   12.5

   15

   13

   7.5

   10.5

   10

矿物油

硅酮

邻二氯(代)苯

邻苯基苯酚

矿脂(凡士林)

蜂蜡

坎物利拉树蜡

巴西棕榈蜡

微晶石蜡

石蜡

   ——

   ——

   ——

   ——

   4

   5

   ——

   ——

   ——

   4

   10.5

   10.5

   13

   15.5

   10.5

   10~16

   14.5

   14.5

   9.5

   9

除了对乳化剂H.L.B.值要求之外,选择乳化分散剂时还有如下几方面需要考虑。

①一般将阴离子型表面活性剂作为乳化分散剂加入时,由于乳液的粒子带电而相互排斥,故容易得到稳定的乳液。

②具有和被乳化物的组成相似憎水基的乳化分散剂效果较好。

③在向被乳化物添加乳化分散剂时,越容易溶解的乳化分散剂就越好。被乳化物与乳化分散剂的憎水基具有相当的亲和性是很重要的。

④对于被乳化物憎水性强、而乳化分散剂的H.L.B.值过大时,两者亲和性变小,为将两者联系起来常使用H.L.B.值较低的乳化分散剂作中间过渡物,有了它就能乳化分散好。

(三)起泡与消泡

气体被液体的薄膜包围就形成了气泡,这种液体的膜易产生,但也容易破坏,一搅拌就自然产生许多气泡。如果表面活性剂分子被吸附在气体与液体的表面,形成坚固的膜,使表面张力降低,那么即使让液体形成薄膜与空气的接触面积再增加也没什么关系,并且由于受到有表面活性剂吸附的膜的保护而变得更难破坏。这就叫做表面活性剂的起泡作用。

凡能起泡的表面活性剂只能证明它有表面活性,发泡性、洗涤力、渗透性之间不一定存在必然联系。

壬基酚与10mol的环氧乙烷加成产物的发泡性比肥皂小得多,可是其渗透性与洗涤能力却比肥皂强。

一般阴离子表面活性剂的发泡力最大(如十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠),聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂居中,脂肪酸酯型非离子表面活性剂最小。

作为消泡剂,不是表面活性剂的低级醇有好的消泡作用,环氧乙烷与环氧丙烷嵌段共聚的聚醚型非离子表面活性剂是最好的低泡或消泡剂,聚醚L-61的泡沫几乎近于零。工业上,将表面活性剂组合使用,在保持表面活性剂良好性能的前提下不产生或少产生泡沫是有实际意义的。

(四)增溶作用

增溶是乳化分散的一种极端情况,它是使原来完全不溶或微溶于水的物质溶解于已溶于水的表面活性剂胶束之中的一种现象。用于这一目的的表面活性剂或其他物质叫做增溶剂,增溶作用是表面活性剂溶液的一个重要作用,118论坛添加剂制造过程中常利用表面活性剂溶液的这一性质。例如氯化钾镀锌添加剂的主光亮剂大多数用苯亚甲基丙酮、邻氯苯甲醛或醛酮反应物等,它们都是不溶于水的有机物,必须用非离子表面活性剂,阴离子表面活性剂进行增溶。

增溶作用只能在大于CMC的浓度时发生,胶束的存在是发生增溶作用的必要条件;增溶作用是热力学自发过程,增溶后的系统是更为稳定的热力学平衡系统。

增溶过程中,溶质并未分散成分子状态,而是整体进入胶束。含聚氧乙烯基的非离子表面活性剂形成胶束时,增溶物发生特殊的增溶,增溶物质存在于胶束外层的聚氧乙烯亲水基之间。氯化钾镀锌光亮剂(不溶于水的苯亚甲基丙酮、邻氯苯甲醛或它们的衍生物)用非离子型、阴离子型表面活性剂增溶就是这种增容量最大的模式。

增溶作用的大小与表面活性剂的化学结构、表面活性剂的CMC以及胶束的数量有关。所以影响CMC的各种因素同样也会影响增溶作用。例如无机盐的加入会使离子型表面活性剂的CMC降低,并使胶团变大,结果增大了烃类的增溶量,但却减少了极性有机物的增溶量。

非离子型表面活性剂的增溶能力大于相应的离子型表面活性剂,这是因为大多数非离子型表面活性剂的CMC较相应的离子表面活性剂小得多,所以增溶作用强得多。阳离子表面活性剂的增溶能力大于具有相同碳氢链的阴离子表面活性剂。这是因为阳离子表面活性剂形成的胶束比较疏松的缘故。具有相同憎水基的表面活性剂对烃类和极性有机物的增溶作用顺序为:非离子型表面活性剂>阳离子型表面活性剂>阴离子型表面活性剂。

(五)洗涤作用

与我们日常生活关系最密切的莫过于各种洗涤剂,它们都是以表面活性剂为主体的产品。洗涤作用几乎需要表面活性剂所有的有用作用,如由于使表面张力降低而产生的润湿、渗透、乳化、分散、起泡等作用。污垢多半是由于矿物性(如尘土)物质和有机性(如油类)物质沾在物体上形成,把它们浸泡在表面活性剂溶液中马上就会被充分润湿和渗透,通过溶液浸湿就易于去污,继而由于污物被表面活性剂剥落从而乳化分散在液体中。

洗涤作用需要表面活性剂的各种能力,但反过来说,是否洗涤作用好的表面活性剂其所有作用(润湿、乳化等)都一定好呢?这可不一定,如洗涤作用虽差,但润湿渗透作用强的表面活性剂很多。

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