化工工艺与设备课程论文

1湖南农业大学全日制研究生课程论文学院：学科专业或领域：姓名：学号：课程论文题目：阳离子表面活性剂课程名称：化工工艺与设备评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：日期：年月日2阳离子表面活性剂（）摘要：阳离子表面活性剂是生活中一种必不可少的表面活性剂，它在生活中随处可见。本文介绍了阳离子活性剂的概念。简要概述了阳离子表面活性剂的发展和应用领域，并对阳离子表面活性剂进行了类。也阳离子表面活性剂的合成和性质做了介绍。关键词：阳离子；表面活性剂；应用CationicsurfactantsStudent:（AppliedChemistry,CollegeofScience,HunanAgriculturalUniversity;studentID:s2014332）Abstract:Cationicsurfactantsarelivinginanessentialsurfactant,whichcanbeseeneverywhereinlife.Thispaperintroducestheconceptofacationicsurfactant.Abriefoverviewofthedevelopmentandapplicationofcationicsurfactant,andacationicsurfactantclass.Alsothesynthesisandpropertiesofcationicsurfactantisintroduced.Keywords:Cation;surfactant;application一、表面活性剂表面活性剂(surfactant)，是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质。具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团；亲水基团常为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团；而疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂分为离子型表面活性剂（包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂）、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂、复配表面活性剂、其他表面活性剂等。表面活性剂分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。表面活性剂是由两种截然不同的粒子形成的分子，一种粒子具有极强的亲油性，另一种则具有极强的亲水性。溶解于水中以后，表面活性剂能降低水的表面张力，并提高有机化合物的可溶性。表面活性剂范围十分广泛（阳离子、阴离子、非离子及两性），为具体应用3提供多种功能，包括发泡效果，表面改性，清洁，乳液，流变学，环境和健康保护。表面活性剂在许多行业配方中被用作性能添加剂，如个人和家庭护理，以及无数的工业应用中：金属处理、工业清洗、石油开采、农药等。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，一般认为只要在较低浓度下能显著改变表（界）面性表面活性剂物质或与此相关、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，但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”（amphiphilicstructure），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。4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）。胶束——表面活性剂分子的亲脂尾端聚于胶束内部，避免与极性的水分子接触；分子的极性亲水头端则露于外部，与极性的水分子发生作用，并对胶束内部的憎水基团产生保护作用。形成胶束的化合物一般为两亲分子，因此一般胶束除可溶于水等极性溶剂以外，还能以反胶束的形式溶于非极性溶剂中。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。溶液中的正吸附：增加润湿性、乳化性、起泡性；固体表面的吸附：非极性固体表面单层吸附，极性固体表面可发生多层吸附。二、阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂，是其分子溶于水发生电离后，与亲油基相连的亲水基是带正电荷的表面活性剂。亲油基一般是长碳链烃基。亲水基绝大多数为含氮原子的阳离子，少数为含硫或磷原子的阳离子。分子中的阴离子不具有表面活性，通常是单个原子或基团，如氯、溴、醋酸根离子等。阳离子表面活性剂带有正电荷，5与阴离子表面活性剂所带的电荷相反，两者配合使用一般会形成沉淀，丧失表面活性。它能和非离子表面活性剂配合使用。三、阳离子表面活性剂的概述1928年，阳离子表面活性剂开始应用，当时用作杀菌剂。这类表面活性剂的产量增长较快，由于阳离子表面活性剂极性基带正电荷，因而更易在带负电的表面吸附形成吸附膜并呈现特定的性能：如固体表面疏水化，杀菌，抗静电，柔软剂等。这些特性使得阳离子表面活性剂品种发展迅速，应用范围更加广泛，不仅在传统领域有很多的应用，在高新领域的应用也获得了很大的发展。有报道阳离子表面活性剂在新材料技术领域的应用，以阳离子表面活性剂微乳液制备新材料。在丙烯酰基十一烷基三甲基溴化铵微乳液中，甲基丙烯酸甲酯和交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯通过光引发聚合获得了透明的多孔材料；在用十六烷基三乙基溴化铵配制的微乳液中可制造出不同孔径和形态的新型聚台物复合材料，聚合中有效地避免了相分离。以n—c12烷基三甲基溴化铵的微乳液为聚合介质可合成微孔聚合材料。另外用微乳液制备无机纳米材料，进而被尝试用来制备催化剂、半导体、超导体以及磁性材料等的报道较多。如利用cTAB微乳体系已制备出了一种重要的磁性纳米材料一钡铁氧体(BaFel2019)。用阳离子表面活性剂溶胶凝胶法制备新材料。例如，十二烷基三二：甲基季铵盐的溶胶凝胶可合成酸性多孔低聚镓(III)交换材料。该材料用于473K下的异阿醇分解反应，显示出高催化活性，丙烯的转化率和选择性几乎达到100％；再如用阳离子聚合物SAA和聚乙烯亚胺，由电泳溶胶一凝胶沉积法可制备sio2厚膜，其厚膜厚度为20um。阳离子表面活性剂为模板合成新材料。近来研究得最多的是以阳离子表面活性剂作模板导向剂制备sio2材料。所用的阳离子表面活性剂大多为季铵盐。当然也有用阳一非混合表面活性剂作模板导向剂的。以新型阳离子表面活性剂十六烷基二甲基烯丙基氯化铵作为白炭黑、碳酸钙的表面改性剂，改性样品可提高300％定伸、拉伸强度和硬度，可有补强效果。除此之外，在生物技术方面，部分阳离子表面活性剂由于能透过细胞膜，长期被用来做为抗微生物制剂；同样，阳离子表面活性剂也能与阴离子抗生素发生6作用；有报道CTAB胶束能抑制阿司匹林的水解；阳离子表面活性剂还用于预防艾滋病的防腐剂；含EO链和酰胺基的铵盐能用于某种药物的配方。在能源技术方面，阳离子表面活性剂做为乳化剂在燃油方面的应用也比较突出；核能上可以利用阳离子表面活性剂纯化核燃料；也可利用阳离子表面活性剂消除辐射；或者作为减阻添加剂减少能源消耗。阳离子也是表面保护板的重要组成成分；季铵盐用于陶瓷成型及电工陶瓷的制造。此外阳离子表面活性剂在新型分离技术和环保方面也有很重要的应用。四、阳离子表面活性剂的分类阳离子表面活性剂在水溶液中电离时生成的表面活性离子带正电荷，其疏水基与阴离子表面活性剂相似。阳离子表面活性剂的亲水基离子中含有氮原子，根据氮原子在分子中的位置不同分为胺盐、季铵盐和杂环型三类。胺盐是用酸中和烷基伯胺、仲胺、叔胺或乙醇胺得到的产物。根据胺的不同分为脂肪胺盐、乙醇胺盐和聚乙烯多胺盐。胺盐型阳离子表面活性剂水溶性较小，在酸性介质中较稳定；在中性、碱性介质中会发生水解析出胺，通常只适合作纤维柔软剂，不适合作洗涤剂。季铵盐型阳离子表面活性剂通式为[]x-，式中R为C10～C18。长链烷基，Rl、R2、R3一般是甲、乙基，也可以有一个是苄基或长链烷基，X是氯、溴、碘或其他阴离子基团：多数情况下是氯或溴。季铵盐型阳离子表面活性剂是产量高、应用广的阳离子表面活性剂。一般由叔胺与醇、卤代烃、硫酸二甲酯等烃基化试剂反应制得。：吡啶《》(C5H5N)也可以看成一种特殊的叔胺，通常把吡啶与卤代烷的反应产物也归于季铵盐中。如溴代十六烷与吡啶反应得到的产物十六烷基溴化吡啶是一种常用的杀菌剂。季铵盐阳离子表面活性剂水溶性好，既耐酸又耐碱且大多数具有杀菌作用。由于大部分纤维表面带负电，用季铵盐阳离子表面活性剂可中和其电荷，因此有较好的抗静电作用。它们能在纤维表面形成疏水油膜，降低纤维的摩擦系数使之具有柔软、平滑的效果所以可作柔软剂。这种表面活性剂除可作抗静电剂柔软剂外，还可作护发产品中的头发定型调理剂，纺织工业中的匀染固色剂。但它有使7机械生锈的缺点，价格也较贵。在清洗剂中常与非离子表面活性剂复配成杀菌、消毒清洗剂。杂环类阳离子表面活性剂可以有咪唑啉、吗啉胍类、三嗪类衍生物等。眯唑啉是含有二个氮原子的五元杂环的单环化合物，如2—烷基咪唑啉，它与硫酸二甲酯肛反应可生成季铵盐；如脂肪酸与二亚乙基三胺反应生成2—烷基氨基乙基咪唑啉，得到的产物乙酰化再与甲酸中和或季铵化都得到阳离子表面活性剂。它们都可做纤维柔软剂或杀菌剂。一般阳离子表面活性剂去污力较差，因此通常不用阳离子表面活性剂作洗涤剂。但在特殊的清洗剂中如杀菌消毒洗涤剂中会加入阳离子特别是季铵盐型阳离子表面活性剂。五、阳离子表面活性剂的性质临界胶团浓度cmc是表面活性剂开始大量形成胶团时的浓度。它是表面活性剂的主要性能参数之一。原则上说,一切随胶团形成而发生突变的溶液性质皆可被用来测定溶液的临界胶团浓度cmc。其中电导法是一种经典的测定离子型表面活性剂临界胶团浓度cmc方法。此方法对于有较高表面活性的表面活性剂准确性较高。其基本原理是:测定表面活性剂水溶液的电导率,作电导率一浓度曲线,转折点的浓度就是临界胶团浓度cmc。溶液表面张力的降低可作为表面活性剂表面活性大小的量度,有两种度量方法,一是降低溶剂表面张力至一定值所需表面活性剂的浓度;二是所能达到的最低表面张力。前者称为表面张力降低效率,后者称为表面张力降低的能力。一般地,以降低20mN/m表面张力所需表面活性剂的浓度C20作为表面张力降低效率的量度;以cmc时的表面张力降低值作为表面张力降低能力的量度,即为丫-cmc。它也是表面活性剂的主要性能参数,测定表面活性剂不同浓度溶液的表面张