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2019-07-22 22:57 来源:未知

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  表面活性剂(surfactant)被誉为“工业味精”,是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。它是一大类有机化合物,他们的性质极具特色,应用极为灵活、广泛,有很大的实用价值和理论意义。

  表面活性剂一词来自英语surfactant。它实际上是短语surface active agent的缩合词。它还有一个名字叫做tenside。凡加入少量而能显著降低液体表面张力的物质,统称为表面活性剂。它们的表面活性是对某特定的液体而言的,在通常情况下则指水。 表面活性剂一端是非极性的碳氢链(烃基),与水的亲和力极小,常称疏水基;另一端则是极性基团(如—OH、—COOH、—NH、—SOH等),与水有很大的亲和力,故称亲水基,总称“双亲分子”(亲油亲水分子)。为了达到稳定, 表面活性剂溶于水时,可以采取两种方式:

  将亲水基留在水中而将疏水基伸向空气,以减小排斥。而疏水基与水分子间的斥力相当于使表面的水分子受到一个向外的推力,抵消表面水分子原来受到的向内的拉力,亦即使水的表面张力降低。这就是表面活性剂的发泡、乳化和湿润作用的基本原理。在油-水系统中,表面活性剂分子会被吸附在油-水两相的界面上,而将极性基团插入水中,非极性部分则进入油中,在界面定向排列。这在油-水相之间产生拉力,使油-水的界面张力降低。这一性质对表面活性剂的广泛应用有重要的影响。

  胶束可为球形,也可是层状结构,都尽可能地将疏水基藏于胶束内部而将亲水基外露。如以球形表示极性基,以柱形表示疏水的非极性基,则单分子膜和胶束。如溶液中有不溶于水的油类(不溶于水的有机液体的泛称),则可进入球形胶束中心和层状胶束的夹层内而溶解。这称为表面活性剂的增溶作用。

  表面活性剂可起洗涤、乳化、发泡、湿润、浸透和分散等多种作用,且表面活性剂用量少(一般为百分之几到千分之几),操作方便、无毒无腐蚀,是较理想的化学用品因此在生产上和科学研究中都有重要的应用。在浓度相同时,表面活性剂中非极性成分大,其表面活性强。即在同系物中,碳原子数多的表面活性较大。但碳链太长时,则因在水中溶解度太低而无实用价值。

  第一次世界大战后,德国开发乙二醇衍生物,如聚乙二醇 衍生物产品,聚乙二醇与各种有机化合物(包括醇、酸、酯、胺、酰胺)等结合,形成多种优良性能的非离子表面活性剂。

  表面活性剂和合成洗涤剂形成一门工业得追溯到本世纪30年代,以石油化工原料衍生的合成表面活性剂和洗涤剂打破了肥皂一统天下的局面。经过60余年的发展,1995年世界洗涤剂总产量达到4300万吨,其中肥皂900万吨。据专家预测,全世界人口从2000年到2050年将翻一番,洗涤剂总量将从5000万吨增加到12000万吨,净增1.4培,这是一个令人鼓舞的数字。

  中国的表面活性剂和合成洗涤剂工业起始于50年代,尽管起步较晚,但发展较快。1995年洗涤用品总量已达到310万吨,仅次于美国,排名世界第二位。其中合成洗涤剂的生产量从1980年的40万吨上升到1995年的230万吨,净增4.7倍,并以年平均增长率大于10%的速度增长。据中国权威部门预测,2000年洗涤用品总量将达到360万吨,其中合成洗涤剂将达到65.5万吨。其中产量超万吨的表面活性剂品种计有:直链烷基苯磺酸钠(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、月桂醇硫酸钠(K12或SDS)、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(TX-10)、平平加O、二乙醇酰胺(6501)硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐(石油磺酸盐)、扩散剂NNO、扩散剂MF、烷基聚醚(PO-EO共聚物)、脂肪醇聚氧乙烯(3)醚(AEO-3)等。

  对非离子表面活性剂来说,亲水性取决于醚键的多少,醚与水分子的结合是放热反应。

  当温度↑,水分子逐渐脱离醚键,而出现混浊现象,刚刚出现混浊时的温度称浊点。此时表面活性剂失去作用。浊点越高,使用的温度范围广。

  肥皂是使用最早的表面活性剂之一,公元前7~前6世纪已经开始使用。肥皂遇到硬水会产生沉淀,且在酸性溶液中不稳定。红油(又名土耳其红油),是蓖麻油硫酸化产物(阴离子表面活性剂),1875年首次由德国巴登苯胺纯碱公司合成,是第一个合成的表面活性剂,用于纺织和皮革工业。第一次世界大战时,德国研究成功从萘、丙醇或丁醇用发烟硫酸生产烷基萘磺酸盐,可以用来代替肥皂,因而节省了制皂用的动植物油脂。烷基萘磺酸盐的冼净能力虽然较差,但具有良好的润湿和渗透能力,且不受硬水或酸性溶液的影响,所以至今仍被广泛采用。1936年随着石油化工的发展,美国首先研究成功由苯和煤油制成烷基苯磺酸盐。后来,由于添加各种助剂和改进生产技术,以烷基苯磺酸盐为主要组分的合成洗涤剂,在应用性能和成本方面都比肥皂优越,开始大量在生产和生活中应用。此后,合成洗涤剂在洗涤用品总量中所占的比重逐年上升,1982年世界合成洗涤剂的产量已达28Mt,已经超过肥皂并继续增长。以合成洗涤剂为代表的表面活性剂的研究和生产发展迅速,现已成为重要的化工生产部门。表面活性剂的品种已有几千种。

  中国的表面活性剂和合成洗涤剂工业起始于50年代,尽管起步较晚,但发展较快。1995年洗涤用品总量已达到310万吨,仅次于美国,排名世界第二位。其中合成洗涤剂的生产量从1980年的40万吨上升到1995年的230万吨,净增4.7倍,并以年平均增长率大于10%的速度增长。据中国权威部门预测,2000年洗涤用品总量将达到360万吨,其中合成洗涤剂将达到65.5万吨。其中产量超万吨的表面活性剂品种计有:直链烷基苯磺酸钠(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、月桂醇硫酸钠(K12或SDS)、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(TX-10)、平平加O、二乙醇酰胺(6501)硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐(石油磺酸盐)、扩散剂NNO、扩散剂MF、烷基聚醚(PO-EO共聚物)、脂肪醇聚氧乙烯(3)醚(AEO-3)等。

  传统观念上认为,表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表(界)面张力的物质。随着对表面活性剂研究的深入,目前一般认为只要在较低浓度下能显著改变表(界)面性质或与此相关、由此派生的性质的物质,都可以划归表面活性剂范畴。

  无论何种表面活性剂,其分子结构均由两部分构成。分子的一端为非极亲油的疏水基,有时也称为亲油基;分子的另一端为极性亲水的亲水基,有时也称为疏油基或形象地称为亲水头。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接,形成了一种不对称的、极性的结构,因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油,便又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”(amphiphilic structure),表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”。

  根据所需要的性质和具体应用场合不同,有时要求表面活性剂具有不同的亲水亲油结构和相对密度。通过变换亲水基或亲油基种类、所占份额及在分子结构中的位置,可以达到所需亲水亲油平衡的目的。经过多年研究和生产,已派生出许多表面活性剂种类,每一种类又包含众多品种,给识别和挑选某个具体品种带来困难。因此,必须对成千上万种表面活性剂作一科学分类,才有利于进一步研究和生产新品种,并为筛选、应用表面活性剂提供便利。

  表面活性剂通过在气液两相界面吸附降低水的表面张力,也可以通过吸附在液体界面间来降低油水界面张力。许多表面活性剂也能在本体溶液中聚集成为聚集体。

  囊泡和胶束都是此类聚集体。表面活性剂开始形成胶束的浓度叫做临界胶束浓度或CMC。当胶束在水中形成,胶束的尾形成能够包裹油滴的核,而它们的(离子/极性)头能够形成一个外壳,保持与水接触。表面活性剂在油中聚集,聚集体指的是反胶束。在反胶束中,头在核,尾保持与油的充分接触。表面活性剂通常分为四大类:阴离子,阳离子,非离子和两性离子(双电子)。表面活性剂系统的热动力学很重要,不论是理论上还是实践上。因为表面活性剂系统代表的是介于有序和无序物质状态之间的系统。表面活性剂溶液可能含有有序相(胶束)和无序相(自由表面活性剂分子和/或离子)。

  比如,常用的洗涤剂能够提高水在土壤中的渗透能力,但是效果仅仅持续数日(许多标准洗衣粉含有一定量的化学品,比如钠和溴,由于它们会破坏植物,不适于土壤)。商业土壤润湿剂会持续起效果一段时间,最终还是会被微生物降解。然而,有一些会对水生物的生物循环产生影响,因此必须小心防止这些产品流入地表径流,过量产品不应该洗消。

  表面活性剂的分类方法很多,根据疏水基结构进行分类,分直链、支链、芳香链、含氟长链等;根据亲水基进行分类,分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等;有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等,还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。但是众多分类方法都有其局限性,很难将表面活性剂合适定位,并在概念内涵上不发生重迭。因此,我们采用一种综合分类法,以表面活性剂的离子性划分,同时将一些属于某种离子类型、但具有其显著的化学结构特征,已发展成表面活性剂一个独立分支的品种单独列出。在基本不破坏分类系统性的前提下,使得分类更明确,并对表面活性剂各个近代发展分支有较为清晰的了解。按极性基团的解离性质分类如下:

  4、非离子表面活性剂: 脂肪酸甘油酯,脂肪酸山梨坦(司盘),聚山梨酯(吐温)

  系高级脂肪酸的盐,通式: (RCOOˉ)n M。脂肪酸烃R一般为11~17个碳 表面活性剂肥皂的长链,常见有硬脂酸、油酸、月桂酸。根据M代表的物质不同,又可分为碱金属皂、碱土金属皂和有机胺皂。它们均有良好的乳化性能和分散油的能力。但易被破坏,碱金属皂还可被钙、镁盐破坏,电解质亦可使之盐析 。

  乳化性很强,且较稳定,较耐酸和钙、镁盐。在药剂学上可与一些高分子阳离子药物产生沉淀,对粘膜有一定刺激性,用作外用软膏的乳化剂,也用于片剂等固体制剂的润湿或增溶。

  属于这类的有脂肪族磺酸化物、烷基芳基磺酸化物和烷基萘磺酸化物。它们的水溶性和耐酸耐钙、镁盐性比硫酸化物稍差,但在酸性溶液中不易水解。

  常用品种有:二辛基琥珀酸磺酸钠(阿洛索-OT),十二烷基苯磺酸钠,甘胆酸钠

  该类表面活性剂起作用的部分是阳离子,因此称为阳性皂。其分子结构主要部分是一个五价氮原子,所以也称为季铵化合物。其特点是水溶性大,在酸性与碱性溶液中较稳定,具有良好的表面活性作用和杀菌作用。

  这类表面活性剂的分子结构中同时具有正、负电荷基团,在不同pH值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。

  在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质,具有很好的起泡、去污作用;在酸性溶液中则呈阳离子表面活性剂的性质,具有很强的杀菌能力。

  1.脂肪酸甘油酯: 单硬脂酸甘油酯;HLB为3~4,主要用作W/O型乳剂辅助乳化剂。

  3.聚氧乙烯型:Myrij(卖泽类,长链脂肪酸酯);Brij (脂肪醇酯)

  4.聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物: Poloxamer 能耐受热压灭菌和低温冰冻,静脉乳剂的乳化剂

  双子(Gemini)表面活性剂的定义是通过连接基团将两个两亲体在头基处或仅靠头基处连接(键合)起来的化合物。

  通过化学键将两个或两个以上的同一或几乎同一的表面活性剂单体,在亲水头基或靠近亲水头基附近用联接基团将这两亲成份联接在一起,形成的一种表面活性剂称为双子表面活性剂。

  该类表面活性剂有阴离子型、非离子型、阳离子型、两性离子型及阴 - 非离子型、阳- 非离子型等。

  2,链接基团可以是短链基团;可以是刚性基团,也可以是柔性基团,可以是亲水集团,也可以是疏水基团。

  3,亲水头基可以是阴离子的(磺酸盐,硫酸盐,羧酸盐)也可以是阳离子的(铵盐),还可以是非离子的(糖,聚醚)。

  4,目前报道的双子表面活性剂大部分是对称的结构,不对称结构的双子表面活性剂也有报道。

  1:分子结构决定性能,而性能又决定其应用范围。双子表面活性剂的独特结构决定了它有独特的性能,独特的性能使得它有特殊的应用。例如,在化妆晶中,低的cmc意味着双子表面活性剂比普通的表面活性剂对皮肤的刺激性更小。这是因为皮肤刺激性来源于非胶束化的普通活性剂,cmc值较低意味着在溶液中的单基表面活性剂(monoric surfactant)少。双子表面活性剂cmc值较低表明它比普通活性剂在更低浓度下就能溶解不溶于水的物质,因为仅当溶液浓度超过cmc时溶解才会发生并且使不溶于水的物质进入胶束中而被溶解。

  2:与普通活性剂相比,双子表面活性剂在溶液界面的吸附能力大100—1000倍。这意味着双子表面活性剂比普通活性剂效率更高。例如,降低溶液的表面张力、起泡或形成乳液、微乳液所需的双子表面活性剂的浓度比普通活性剂的浓度更低。

  表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用,成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂,其他应用几乎可以覆盖所有的精细化工领域。

  在配方中,表面活性剂的主要作用:一是提高组分之间的乳化能力,使他们彼此能更加有效地混合:二是在发泡过程中,控制体系具有适当的表面张力,产生良好的气泡网络结构,因此,也可称作泡沫稳定剂。

  临界胶束浓度(CMC):表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度。当其浓度高于CMC值时,表面活性剂的排列成球状、棒状、束状、层状/板状等结构。

  温度对增溶的影响:温度影响胶束的形成,影响增溶质的溶解,影响表面活性剂的溶解度 Krafft点:离子型表面活性剂的溶解度随温度增加而急剧增大这一温度称为Krafft点, Krafft点越高,其临界胶束浓度越小

  昙点:对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂,温度升高到一定程度时,溶解度急剧下降并析出,溶液出现混浊,这一现象称为起昙,此温度称为昙点。在聚氧乙烯链相同时,碳氢链越长,浊点越低;在碳氢链相同时,聚氧乙烯链越长则浊点越高。

  亲水亲油平衡值(HLB):表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲合力。根据经验,将表面活性剂的HLB值范围限定在0-40,非离子型的HLB值在0-20。 混合加和性:HLB=(HLBa Wa+HLBb /Wb) / (Wa+Wb)

  使用表面活性剂可以控制液、固之间的润湿程度。农药行业中在粒剂及供喷粉用的粉剂中,有的也含有一定量的表面活性剂,其目的是为了提高药剂在受药表面的附着性和沉积量,提高有效成分在有水分条件下的释放速度和扩展面积,提高防病、治病效果。

  在化妆品行业中,做为乳化剂是乳霜、乳液、洁面、卸妆等护肤产品中不可或缺的成分。

  在农药行业,可湿性粉剂、乳油及浓乳剂都需要有一定量的表面活性剂,如可湿性粉剂中原药多为有机化合物,具有憎水性,只有在表面活性剂存在的条件下,降低水的表面张力,药粒才有可能被水所润湿,形成水悬液;

  表面活性剂在医药行业也有广泛应用。在药剂中,一些挥发油脂溶性纤维素、甾体激素等许多难溶性药物利用表面活性剂的增溶作用可形成透明溶液及增加浓度;药剂制备过程中,它是不可缺少的乳化剂、润湿剂、助悬剂、起泡剂和消泡剂等。

  在医药行业中可作为杀菌剂和消毒剂使用,其杀菌和消毒作用归结于它们与细菌生物膜蛋白质的强烈相互作用使之变性或失去功能,这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度,根据使用浓度,可用于手术前皮肤消毒、伤口或粘膜消毒、器械消毒和环境消毒;

  甜菜碱表面活性剂对钙、镁离子均表现出非常好的稳定性,即自身对钙、镁硬离子的耐受能力以及对钙皂的分散力。在使用过程中防止钙皂的沉淀,提高使用效果。

  表面活性剂有对改变溶液体系的作用,增大粘度变稠或增大体系的泡沫,在一些特除的清洗、开采行业有广泛的应用。

  去除油脂污垢是一个比较复杂的过程,它与上面提到的润湿、起泡等作用均有关。 最后要说明的是,表面活性剂起作用,并不单单是因为某一方面的作用,很多情况下是多种因素共同作用。如在造纸工业中可以用作蒸煮剂、废纸脱墨剂、施胶剂、树脂障碍控制剂、消泡剂、柔软剂、抗静电剂、阻垢剂、软化剂、除油剂、杀菌灭藻剂、缓蚀剂等。

  应用于燃料溢出时,产品可用于消除火灾和爆炸危险。以稀释溶液的形式喷到溢出物上,它能够压缩和封装接触到的碳氢化合物分子,这样就能够熄灭A级和B级的(碳氢化合物)火焰。由于碳氢化合物分子被密封,爆炸下限就会立即下降,可变为0。还能够方便道路清洁,除去能形成驾驶危害的油渍。

  产品应用在工地上可减少所存在的蒸汽排放,对工人造成的危害或者在邻近区域产生令人生厌的气味。将其喷在现场或储存污染材料的聚集区,能够通过封装碳氢化合物分子而大大降低蒸汽压力。将气味或潜在的具有危害性的蒸汽降低或降至0,形成一种屏障可以保存土壤中的蒸汽,使施工人员在安全的状态下继续进行清洁工作。百索福产品可以在潮湿多风的条件下应用,无需专用设备。特别是排污管道对硫化氢的预防。

  3、土壤整治 产品可用于现场或非现场整治项目。百索福粉水起到的作用是把碳氢化合物从土壤里分离出来,并将其锁在里面防止挥发。然后这些含碳氢化合物的乳液分离成比原来油的分子小很多倍的胶囊,增大了适合细菌附着的表面积,加速生物降解的进程。上述两种情况中,产品松动和溶解了碳氢化合物,污染物的提取量达99%。残余污染物的生物修复也会通过加强碳氢化合物的生物利用度而加快。一般情况下,使用了百索福粉水的生物降解速度是3~6个星期。

  一个位于奥克拉荷马州15年的污泥坑需要修整。使用6%粉水溶液进行处理旋翻土壤。第二次和第三次使用需要间隔两周。

  4、罐体清洁 产品能够用于溶解罐底和其它类型的碳氢化合物污泥。采用压力喷洒的方法应用溶液,然后进行搅拌,使污泥中剩余的碳氢化合物能够快速转换,同时能够抵抗危险的挥发性有机物蒸汽,减少硫化氢的释放。产品还可用作表面清洁剂,因此可以以一种对环境无害的方式去除容器壁和相关设备的污垢。粉水液也可以被喷涂/混合到污泥中减少蒸汽级含量,将污泥转换成一种可用泵抽取的水溶液。

  5、设备除污 可用于清洁炼油厂设备、钻探设备、溢出清理现场等。使用恰当稀释的百索福溶液,采用标准压力清洗设备,可去除所接触到的大多数油和焦油,对于更严重的污染,可能需要热水喷雾系统。

  6、其它应用产品还能于其它一系列应用中,如:油脂分离器清洁、除去油井中的石蜡、污水管道系统、减少油或燃料的意外泄露、船上的污染控制等。

  表面活性剂百索福特点在于:当清除泄露或污渍之后,清理不会有脏乱的影响。这是因为此产品能够持续清洁进入到地下、排水沟或下水道的排出液。事实上,产品的排出液可以帮助去除过去泄露或清理项目中的石油废液沉淀。这对于将此产品纳入维护体系中的企业来说,将是一笔很大的成本节省。

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