03《精细化工概论》PPT第三章表面活性剂

冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了化妆品我们的生活也变得如此美好。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第三章表面活性剂日常生活中,表面活性剂随处可见.传统的肥皂,现代的各种洗衣粉,香波能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质§3－1概述一、表面活性剂的定义及其结构特点和分类1、定义：表面活性剂是指在溶剂中加入很少量即能显著降低溶剂表面张力、改变体系界面状态的物质。2、表面活性剂的结构特点①双亲性亲水基团疏水基团表面活性剂分子②溶解性③表面吸附④界面定向⑤形成胶束胶束的形成：两亲分子溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会互相吸引，从而使得分子自发形成有序的聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，减小了憎水基与水分子的接触，使体系能量下降，这种多分子有序聚集体称为胶束。⑥多功能性润湿作用乳化作用分散作用起泡与消泡增溶作用洗涤作用肥皂、洗涤剂化妆品食品加工纺织工业金属加工石油、建筑功能应用3、表面活性剂分类表面活性剂分子非极性烃链（疏水）极性基团（亲水）H2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO硬脂酸阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂按离子类型阳离子表面活性剂R-NH2·HCl伯胺盐CH3|R-N-HCl仲胺盐|HCH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3两性表面活性剂R-N+HCH2-CH2COO-H氨基酸型CH3|R-N+-CH2COO-H甜菜碱型|CH3非离子表面活性剂R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型特殊表面活性剂含氟表面活性剂含硅表面活性剂高分子表面活性剂生物表面活性剂二、表面活性剂的活性原理及活性作用1、表面活性剂的活性原理(1)具有双亲性结构(2)表面张力定义：通常，把垂直作用于液体表面上任一单位长度、并与液面相切的收缩表、并与液面相切的收缩表面力称为表面张力。表面张力的单位用N/m表示液体内部分子受力分析内部分子所受力的全力为零，而表面分子的受合力不为零，结果只有向液体内部的力，而没有向气体方向的力，因此，造成液体的表面向内部收缩。（a）是极稀溶液，界面上没聚集很多的表面活性剂，空气和水直接接触，水的表面张力下降不多，接近于纯水的状态。b）浓度相对升高，很快地聚集到水表面上，即表面吸附量大为增加、空气和水的接触相对减少，水表面张力下降（c）表面活性剂浓度逐渐升高，表面活性剂毫无间隙地密集于液面上，形成了单分子吸附膜。空气与水处于完全隔离状态，表面吸附达饱和。在溶液内部，增加表面活性剂,先是三三两两以疏水基互相靠拢，形成球形胶束的最初形式。水表面张力急剧下降。胶束结构示意图在CMC附近，表面活性剂溶液的许多性质都会出现转折，如表面张力、电导率、去污能力等.可以利用测定表面张力，电导率等方法达到测定临界胶束浓度目的;表面活性剂水溶液其浓度只有稍高于其CMC值时，才能充分显示其作用。CMC(3)界面电荷(4)胶束和增溶增溶作用：表面活性剂在水溶液中达到临界胶束浓度后，一些水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加并形成透明胶体溶液，这种作用即增溶作用。加入两个概念(1)、临界溶解温度：离子型表面活性剂在水溶液中的溶解度，随温度的上升逐渐增加，当达到某一特定的温度下，溶解度急剧陡升。该温度称为离子型表面活性剂的临界溶解温度。(2)、浊点：非离子型表面活性剂在水中的溶解度随温度的上升而降低，升至某一温度，溶液出现混浊，经放置或离心分离，可得富胶团和贫胶团两个液相，这个温度称为表面活性剂的浊点。润湿作用乳化作用分散作用起泡与消泡增溶作用洗涤作用肥皂、洗涤剂化妆品食品加工纺织工业金属加工石油、建筑功能应用2、表面活性剂的活性作用(1)润湿作用润湿是固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程接触角的示意图：这种借助表面活性剂来润湿物体的作用叫润湿作用在固体表面发生定向吸附这种能使液体湿润或能加速固体表面湿润的表面活性剂叫做湿润剂。润湿方面的应用：1矿物的泡沫浮选2金属的防锈、缓蚀3织物的防水、防油处理降低润湿作用：原理是用表面活性物质的极性部分选择性吸附，非极性部分向外呈憎水性。一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的),内壁要疏水水化,使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留。防水整理剂纤维的防水整理：•不透气：用橡胶和合成树脂涂在纤维织物上，在织物上形成连续的防水膜；穿着不适；•透气：将织物表面变为疏水性，空气和水蒸气的透气性不产生阻碍，又称“拒水整理”。4农药中的应用:增加润湿作用：农药喷洒：由于大多农药水溶性差，对植物的茎叶润湿不好，滚落浪费且不能展开，杀虫效果差，加入表面活性剂，提高润湿程度，即可大大提高药效。(2)乳化与破乳作用乳化现象油水乳化剂乳化液油水一种或多种液体以微滴状分散到另一种不相混溶的液体中所形成的多相分散体系，称为乳状液。这种形成乳状液的过程称为乳化。分散相(内相、不连续相)分散介质(外相、连续相)水相/油相液珠大小/μm乳液外观10.1~10.05~0.10.05乳白色乳状液蓝白色乳状液灰色半透明液透明液乳状液的类型及形成1乳状液的类型1水包油O/W2油包水W/O3套圈型基本型O/W内相外相水包油W/O内相外相油包水复合型W/O/W内水相油相外水相水包油包水O/W/O内油相水相外油相油包水包油根据结构分类强烈振荡油水水包油型(O/W)油包水型(W/O)天然乳化液人工乳化液牛奶油包水（W/O）型奶油水包油（O/W）型乳多重型（W/O/W）型冰淇淋椰奶乳化剂的破乳乳化和破乳的应用农药生产、金属加工、沥青乳化食品、化妆品原油开采2.4乳化剂的破乳有两相界面存在是热力学不稳定体系在江河湖海经常会出现大面积的原油或其他有机溶液的泄漏事故，往往由于面积过大，泄漏量也很大，无法收集。大量的这类不溶于水的物质如果不处置，一方面会造成相当严重的环境污染，另一方面可能造成大面积火灾发生。石油处理剂就是将这些因非常事故而流出的油类物质严密地进行化学处理的药剂，包括集油剂、沉降剂、凝固剂、乳化分散剂等，其主要成分乳化分散剂即为表面活性剂。(3)增溶作用Solubilization表面活性剂在水溶液中达到临界胶束浓度后，一些水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加并形成透明胶体溶液，这种作用即增溶作用。s/溶解度C/%cmc增溶作用的应用乳液聚合开采石油胶片生产洗涤剂增溶作用的方式1非极性分子在胶束内的增溶在胶束内部，被增容的物质完全处于非极性环境中。2在表面活性剂分子间的增溶分子结构与表面活性剂类似的极性有机化合物栅栏之间甚至拉入内部。3在胶束表面的吸附增溶既不溶于水也不溶于油的小分子极性有机化合物在胶束表面增容4聚氧乙烯基间的增溶以聚氧乙烯基为亲水基的非离子表面活性剂包裹在胶束外层的长链中增溶作用的应用（实例）在乳液聚合中的应用乳液聚合是使原料分散于水中形成乳状液，在引发剂作用下进行聚合。原料单体在表面活性剂水溶液中乳化，处于3种状态：在乳状液滴中，溶于水中，增溶于胶束中。使用水溶性引发剂时，在水相中引发反应，聚合反应在胶束中进行，分散于水相中的乳状液滴仅作为提供反应原料的储库。在石油生产中的应用借助增溶作用可提高石油的采收率，其有效办法是将粘附在岩层砂石上的油“驱赶”出来，即所谓“驱油”。利用表面活性剂在溶液中形成胶束的性质，将表面活性剂、助剂（醇类起促进胶束形成作用）和油混合在一起，经搅动，形成均匀的“胶束溶液”。该溶液能溶解原油，很好的润湿岩层，遇水不分层，当流过石岩层时能有效地洗下粘附在砂石上的原油，从而达到提高石油的采收的目的。(4)发泡和消泡作用打开啤洒、香槟瓶即有大量泡沫出现等，液体泡沫。人们通常所说的泡沫多指面包、蛋糕等弹性大的物质以及泡沫塑料、饼干等为固体泡沫。液体泡沫也是本节要讨论的主要内容。“泡”就是由液体薄膜包围着气体。泡沫的形成及其稳定性“泡沫”是气体分散于液体中的分散体系。ABC表面活性剂的起泡和稳定作用在肥皂水里加入一小匙的砂糖或少许的茶叶，放在阴暗处过夜后，就会发现这种肥皂水吹出来的泡泡颜色不但鲜艳，而且比较不容易破裂。肥皂，热水消泡剂能降低溶液和悬浮液表面张力、防止泡沫形成或使原有泡沫减少或消失的表面活性剂称为消泡剂.抑泡剂是指能够阻止泡沫的产生的物质。在制糖、制药、微生物工程、发酵酿造工业以及减压蒸馏、溶液浓缩和机械洗涤过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。表面活性剂的消泡作用起泡和消泡的应用1起泡作用在灭火中的应用燃烧的条件：助燃物可燃物如何灭火呢？火源由于泡沫中所含水分的冷却效果，以及在火苗表面上覆盖的泡沫层，胶束膜或凝胶层，使火苗和氧隔绝，而起到灭火作用。作为抗静电整理剂，预防静电火花点火源(5)洗涤作用(6)分散的作用：钻井泥浆；涂料；油墨；墨水；消字液；改正液；感光材料；纳米材料三、表面活性剂的亲水、亲油平衡值1、定义:表面活性剂的亲水亲油平衡值(HydrophileLipopMeBalance，HLB)是表示表面活性剂的亲水性、亲油性好坏的指标。2、HLB数值3、使用HLB值应注意以下各点。1）．不同HLB值的表面活性剂具有不同的应用范围2）．不同的被分散或被乳化物质具有不同的HLB值(1)根据HLB值选择分散剂或乳化剂要将这些在水中不溶的物质分散到水性分散体系中时，须令选择的表面活性剂的HLB值与被分散或被乳化的物质的HLB值相匹配。举例：在合成聚醋酸乙烯酯乳液涂料时，考虑到聚醋酸乙烯酯的最适宜HLB值为14.5~17.5，乳化剂所选的表面活性剂为：十二烷基苯磺酸钠，HLB值11.7所用份数1；十二烷基硫酸钠，HLB值40所用份数0.3；TX-10,HLB值12.8所用份数1；问几种表面活性剂复配是否可作合成聚醋酸乙烯酯乳液涂料的乳化剂？(2)乳化剂用表面活性剂的其他选择原则4、表面活性剂的工业应用§3-2各类表面活性剂产品一、阴离子表面活性剂亲水性基团是阴离子的表面活性剂叫阴离子型表面活性剂。它们在整个表面活性剂生产中占有较大的比重，世界表面活性剂总产量约一半属于这一类。磺酸盐型阴离子表面活性剂1十二烷基苯磺酸钠简称LAS，是一种黄色油状液体，经纯化后可形成六角形或斜方型薄片状结晶。LAS溶于水后呈中性，对水的硬度较敏感，对酸碱水解的稳定性好，不易氧化。表面活性作用表现为起泡能力强、去污能力高，易与各种助剂复配，兼容性好，且成本较低，合成工艺成熟，因此应用领域广泛。合成方法：生产过程可分为三步分：烷基苯的制备，烷基苯的磺化和烷基苯磺酸的中和。烷基苯的制备：4种方法。烷基苯的磺化：①三氧化硫磺化法反应原理：对设备加工精度及材质均有较高要求，设备庞杂，造价均在几百万元以上，一般中小型企业和乡镇企业难以实现。②发烟硫酸磺化法以发烟硫酸作为磺化剂与烷基苯反应如下：与三氧化硫磺化相比，发烟硫酸磺化反应速率较易控制，反应放热量也较小，但由于反应过程同时生成大量废酸，故生产成本偏高。烷基苯磺酸的中和：2、羧酸盐型阴离子表面活性剂(R－COONa)肥皂－－脂肪酸盐(钠盐为多)，是一种最古老的表面活性剂，现在仍大量应用于日常生活和生产中。肥皂比较容易制造，油脂与碱作用即生成脂肪酸钠与甘油。羧酸盐所存在的主要缺点是，它是一种弱酸强碱盐，易水解为游离酸，降低其水溶性。合成：①皂化、②盐析、③碱析、④整理、⑤调和二、阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂正好与阴离子表面活性剂结构相反。如图其亲水基一端是阳离子，故称阳离子