表面活性剂

冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了洗涤剂我们的生活才能如此美好。若没有表面活性剂，这两样东西都不会有，这真是太可悲了。但是，如果真的没有了表面活性剂，也不会有人为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有表面活性剂，人也没有了。——英国著名界面化学家Ckint第2章表面活性剂2.1.1什么是表面活性剂溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种：1）物质的加入会使溶剂表面张力略微升高，属于此类物质的强电解质有无机盐、酸、碱等；2）物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐下降，如低碳醇、羧酸等有机化合物；3）物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但降到一定程度后，就变得很慢或几乎不下降。2.1表面活性剂概述像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。第二类物质和第三类物质的区别？在于能否形成胶束。这是表面活性剂用作乳化剂、起泡剂、润湿剂等的原因。2.1表面活性剂概述表面活性剂一词来自英文Surfactant。它实际上是短语Surface（表面）Active（活性）Agent（添加剂）的缩合词。表面活性剂是这样一种物质，它活跃于表面和界面上，具有极高的降低表、界面张力的能力和效率。两个特性：1.在各种界面上的定向吸附；2.溶液内部形成胶束，从而具有一系列应用功能。2.1表面活性剂概述2.1.2表面活性剂分子的结构特点表面活性剂分子有两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。2.1表面活性剂概述不同碳链长度的脂肪酸钠对石蜡-水界面张力的影响（30℃）2.1表面活性剂概述1）7碳原子以下，降低表面张力不明显2）8~20个碳原子时，脂肪酸钠盐呈现明显的表面活性。当亲油基为直链或支链烷烃，8~20个碳原子时为合适；当亲油基为烷基酚或苯基，8~16个碳原子时为宜；若亲油基为烷基萘基，则烷基数为2个，每个烷基碳原子在3个以上。2.1表面活性剂概述世界表面活性剂工业的发展状况品种6000多种，商品牌号上万种；年产量接近1500万吨；年增长率3%左右；品种上，以阴离子表面活性剂为主，其次是非离子表面活性剂，阳离子和两性表面活性剂的消费量最少；发达国家表面活性剂品种向专用性、功能性高度发展2.1表面活性剂概述我国表面活性剂工业的现状发展始于20世纪50年代末60年代初；品种2000多种，品种少，产量低；人均消费水平低；产品结构上，高档次表面活性剂品种匮乏；工业表面活性剂占总量比例较低；2.1表面活性剂概述2.2表面活性剂的分类1.按亲水基类型：根据表面活性剂溶于水中能否解离,解离成何种离子进行分类。(a)表面活性剂溶于水能电离生成离子的，为离子型表面活性剂（阴离子、阳离子和两性表面活性剂）。(b)不能电离的叫非离子型表面活性剂。2.按分子量大小：（a）低分子量表面活性剂：1000以下；（b）中高分子量表面活性剂：1000以上；（C）高分子表面活性剂：10000以上。2.2表面活性剂的分类3.按工业用途分类：渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂、消泡剂、净洗剂、杀菌剂、匀染剂、缓染剂、柔软剂、平滑剂、抗静电剂、防锈剂等。（1）羧酸盐类通式RCOOˉM+,R为长烃链，M＋为金属离子。俗称肥皂，以油脂与碱皂化制造。CHOCOR22ROCOCHROCOCH'''+NaOH3'''CHOCORCHOCOR22ROCOCHNaNaNa+OHOHOH2.3阴离子表面活性剂（2）硫酸酯盐类通式为R-OSO3M，以高级脂肪醇与硫酸酯化剂酯化制备。ROSONaHONaOH++HClClSOH+ROSOH3ROH+ROSOH33.24333ROSOH(HSOSO)SO+ROH23典型代表十二烷基硫酸酯钠盐，良好的乳化、发泡性能。但是因为C与O相连，耐热性差，在酸性介质中水解，2.3阴离子表面活性剂（3）磺酸盐一般以R－SO3Na表示，C与S相连，在酸性介质中不水解，耐热性好。烷基苯磺酸钠烷基萘磺酸钠：RSOH33SONa94CH94CH十二烷基苯磺酸钠，洗衣粉的主要原料2.3阴离子表面活性剂4）磷酸酯盐类一般式ROPO3Na2和（RO）2PO2NaRO-P=OOONaONaROROPOONa单酯盐双酯盐性质与硫酸酯盐相近，抗电解质、硬化能力较强，洗净能力好，为低泡性表面活性剂。可作为净洗剂、润湿剂、乳化剂、抗静电剂和抗蚀剂。缺点：污染环境、影响水质2.3阴离子表面活性剂分为两类：（1）胺盐类表面活性剂，可由高级胺(C12-18，伯、仲、叔）用盐酸或醋酸处理而得：RCHNHHRCHNH++23222.4阳离子表面活性剂或由高级胺用与环氧乙烷反应制备：CHNHCHCH18372Ox+3718CHN222n(CHCHO)H222(CHCHO)mH2.4阳离子表面活性剂(2)季铵盐类由叔胺与烷基化剂铵化制得:烷基三甲基季铵盐:3CH3CH3CH3CH25123CH22ClNCH1225CHN2CHCl332225122][+++++HONaClNaOHCHClCHNH加热加压2.4阳离子表面活性剂烷基二甲基苄基氯化铵:+ClCH2-+CH2]ClCHN25123CH3CH[CHN12253CH3CH2.4阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂的特点(1)杀菌作用(2)易吸附在固体表面（用于矿物浮选、织物柔顺剂、抗静电剂等）2.4阳离子表面活性剂AntimicrobialmechanismA.Kawabata,etal.CarbohydratePolymers67(2007),375-389(1)Bacterialmembraneisstabilizedbysodiumandpotassiumionsandphospholipids;(2)Cationicpolymerreplacemetalionsandbindstoacidicphospholipids;(3)Cationicpolymerinducesaphospholipidsphaseseparation;(4)Destabilizedzonesaggregateandleadingtoadamageofmembrane.Theleakageofinnercomponentsfinallyleadstothedeathofthecells.AFMimagesofE.coli(ATCC11229)UntreatedE.coliE.colitreated2.4阳离子表面活性剂两性表面活性剂分子中同时具有可电离的阳离子和阴离子。阳离子部分都是由铵盐或季胺盐做亲水基，而阴离子部分可以是羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐等。其中阴离子为羧基、阳离子为胺盐的叫氨基酸型两性表面活性剂，通式为:RNHCH2CH2COOM例如十二烷基氨基丙酸钠盐C12H25NHCH2CH2COONa2.5两性表面活性剂由季胺盐构成阳离子部分的叫甜菜碱型两性表面活性剂。通式：其中R=C12~C18NCH2RCOO+-3CH3CH2.5两性表面活性剂两性表面活性剂在水中电离时，因同时存在两种电荷，因此有一个等电点pI；溶液的pH值低于pI时，是阳荷性，具有阳离子表面活性剂作用；当pH高于pI时，呈负电性，具有阴离子表面活性剂的作用。在等电点附近时则呈非离子型表面活性剂性质。2.5两性表面活性剂C12H25NHCH2CH2COONa两性表面活性剂特点：水溶性好，发泡能力强，去污力强；毒性低，对皮肤刺激性小，有良好的生物降解性和抗微生物能力，优良的抗静电性和柔软平滑性，与其它表面活性剂相容性好。但是价格较贵。NCH2RCOO+-3CH3CH2.5两性表面活性剂亲水基为羟基－OH和醚键－O－由于亲水性较弱，必须由几个羟基或醚键才能发挥亲水作用，与只有一个亲水基团的阴离子或阳离子表面活性剂不同。特点：溶液中不呈离子态，所以稳定性高，不受强电解质和酸碱的影响，与其它类型的表面活性剂相容性好，也不易在固体表面富集。2.6非离子表面活性剂非离子型表面活性剂按亲水基分类，有聚乙二醇型和多元醇型，两者性能和用途有较大差异。（1）聚乙二醇型非离子表面活性剂1）高级脂肪醇与环氧乙烷加成物ROH+RNaOHCat.OO22CHCHn(CHCHO)n22H所用脂肪醇有：月桂醇、十六醇、油醇、鲸蜡醇等2.6非离子表面活性剂2）烷基酚和环氧乙烷的加成物所用烷基酚有：壬基酚、辛基酚、辛基甲酚等3）脂肪酸与环氧乙烷的加成物OROHR+O22CHCHn(CHCHO)n22H+OHO22CHCHn(CHCHO)n22HRCOORCOO所用脂肪酸有：硬脂酸、月桂酸、油酸等2.6非离子表面活性剂4）高级脂肪胺和脂肪酰胺的环氧乙烷加成物CHN1225(m+n)mn(CHCHO)H22(CHCHO)22HCHCH22O25122CHNH+O22CHCH(p+q)pq(CHCHO)H22(CHCHO)H22+CHCONH1733CHCON173322.6非离子表面活性剂5）聚丙二醇的环氧乙烷加成物亲水基憎水基亲水基22(CHCHO)22(CHCHO)2(CHCHO)HOCH3abcH聚醚型非离子表面活性剂分子量可达几千，可作为低泡洗涤剂、乳化分散剂、消泡剂等甲基空间阻碍，不易形成氢键2.6非离子表面活性剂聚乙二醇的醚键为何具有亲水性？2.6非离子表面活性剂（2）多元醇型非离子型表面活性剂主要亲水基是多元醇类、氨基醇类、糖类等.CHOHCHOH2CHOH2HOCH2COHCH2OHCH2OHCH2OHCH22.6非离子表面活性剂山梨醇失水山梨醇CHOH22CHOHCHOHCHOHCHOHCHHOCHCHCHCHCHOOHOHHO2CHOH2CHCHCHOHCHCHOCHOHOHHO22.6非离子表面活性剂失水山梨醇与不同高级脂肪酸酯化得到的表面活性剂叫“司盘”(SPAN).由于自身不溶于水，需与其它水溶性表面活性剂复合使用。斯盘与环氧乙烷加成的产物叫“吐温”（TWEEN）。吐温-20，40，60，80…，两种著名的非离子表面活性剂吐温-60为硬脂酸酯；吐温-80为油酸酯；吐温-20为月桂酸酯2.6非离子表面活性剂1.高分子表面活性剂2.含氟、硅表面活性剂3.冠醚类大环化合物4.双子（Gemini）表面活性剂2.7其它表面活性剂高分子表面活性剂：通常指分子量在10000以上的表面活性剂。可分为天然的、天然物质改性的和合成的三类。天然及改性的，如淀粉、羟甲基淀粉、羟乙基淀粉、丙烯睛接枝淀粉、丙烯酸接枝淀粉、羟甲基纤维素等等。合成高分子表面活性剂：阴离子型、阳离子型、非离子型和两亲型。2.7其它表面活性剂非离子型：如环氧乙烷-环氧丙烷聚合的聚醚型表面活性剂，聚氧乙烯烷基酚醚甲醛缩合物2.7其它表面活性剂阴离子型高分子表面活性剂苯乙烯-马来酸酐的共聚物，将酸酐基团部分酯化和碱中和后，得到阴离子型的高分子表面活性剂；苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物，将羧基部分酯化、部分中和后，也得到相应的阴离子型高分子表面活性剂。2.7其它表面活性剂阳离子型高分子表面活性剂将聚4-乙烯基吡啶用C12H25Br季铵化，就得到阳离子型高分子表面活性剂。2.7其它表面活性剂两亲型高分子表面活性剂2.7其它表面活性剂高分子表面活性剂一般不具备低分子表面活性剂在水溶液中形成胶束的性质。这可能是由于高分子表面活性剂分子大，链较长，分子内或分子间的缠绕使其很难按一定的顺序整齐排列。2.7其它表面活性剂分散性和絮凝性由于高分子表面活性剂在各种表面、界面上有很好的吸附作用，因而分散性、凝聚性和增溶性均较好。除了被称为聚合物表面活性剂或表面活性剂外，当作分散稳定剂时，这些两亲性聚合物还被称为乳化剂、洗涤剂或分散剂；当用于控制胶乳变性时，被称为增稠剂；当用于不相容聚合物的混合时，它们被称为增容剂。2.7其它表面活性剂增稠性①利用其水溶液本身的高黏度，提高别的水性体系的黏度；②水溶性聚合物可和水中其他物质如小分子填料、高分子助剂等发生作用，形成化学或物理结合体，导致黏度的增加。后一种作用往往具有更强的增稠效果。一般作为增稠