第二章-表面活性剂及其在纺织加工中的应用要点

主讲人：季萍纺织服装学院第二章表面活性剂及其在纺织加工中的应用第一节表面活性剂的分类、作用第二节乳化作用及其在纺织加工中的应用第三节润湿与渗透作用及其在纺织中的应用第四节抗静电作用及其在纺织中的应用第五节洗涤作用及其在纺织中的应用第一节表面活性剂的分类、作用一、基本概念二、表面活性剂的分类及其作用一、基本概念（一）表面活性剂的定义（二）表面活性剂的结构特点（三）表面活性剂的作用原理（四）表面活性剂的亲水亲油平衡值（HLB）（一）表面活性剂的定义所谓表面活性剂，是指当其溶于水中时，即使浓度很小也能显著地降低水同空气间的表面张力或水同其它物质（如纤维、纱线）间的界面张力的物质。表面张力众所周知，在一杯水中处于中间的水分子，受到周围水分子的吸引力是平衡的，而在水与空气界面上的水分子受到空气的吸引力要比水的吸引力小得多，这样就存在着将表面上的水分子向下拉的力，引起表面积收缩，这种作用于气-液界面之间，使表面收缩的力称为表面张力。一般说，物体相界面（如液-液、液-固、液-气）之间的张力为界面张力，而特把液-气相界面间的张力叫做表面张力。（二）表面活性剂的结构特点任何水溶性表面活性剂都具有不对称的分子结构特点。其中的一端是憎水基团，此端为非极性基团。另一端为极性基团，具有一个或几个亲水基。1、水溶性的亲水基（疏油基）2、油溶性的憎水基1、水溶性的亲水基（疏油基）（1）与水有较大亲和力的原子团。如羟基、磺酸基、羧基等。（2）用球形表示，球的直径代表作用范围的大小。2、油溶性的憎水基（1）与油有较大亲和力的原子团，一般是C12-C16长链烷基或具有支链，或者被杂原子或者环状原子团所中断。（2）用棒形表示，其直径代表作用范围的大小，棒长表示链的长短。（三）表面活性剂的作用原理当纤维、纱线、油等物质（为方便计，以下泛称为油或油相）于水接触时，由于油、水界面间存在着较大的界面张力，都力图保持自己的原有状态，水不易润湿纤维、纱线或油等物质，这对纤维、纱线的加工很不利。1、作用原理2、临界胶束浓度（CMC）3、浓度与性质的关系1、作用原理在油水中加入表面活性剂以后，由于它的不对称结构特点，使它在油、水界面之间发生定向吸附作用，极性端的亲水基指向水，非极性端的憎水基指向油，结果就在油、水相之间形成了一个表面活性剂的分子膜，从而降低了油、水相之间的界面张力。2、临界胶束浓度（CMC）其它条件不变时，表面活性剂的性质与使用的表面活性剂浓度有关。当表面活性剂的水溶液浓度达到CMC值时，表面活性剂的去污力、可溶性、表面张力、界面张力等性质发生急剧的变化，以后浓度在增加，除可溶性继续增加外，其它性质很少变化。此时的CMC即为临界胶束浓度。严格的说，临界胶束浓度并非一个点，它有一定的范围，因此临界胶束浓度叫做临界胶束浓度范围更恰当。3、浓度与性质的关系（1）极稀溶液中（2）稀溶液中（3）临界胶束浓度溶液中（4）大于临界胶束浓度溶液中在使用表面活性剂时，其浓度均应稍大于临界胶束浓度，否则不能充分发挥表面活性剂的作用。各种表面活性剂的性能由于亲水基、憎水基的结构、性能及其组合不同，可以表现为乳化作用，渗透作用、洗涤作用、抗静电作用、扩散作用及消泡作用等。（1）极稀溶液中表面活性剂以单分子状态溶于水中，完全被水包围。憎水基被排斥，亲水基被吸附。亲水基与水的亲和力大于憎水基，所以表面活性剂能溶于水。（2）稀溶液中表面活性剂浓度增加，为使其在水中处于稳定状态，则有两个途径：a、表面活性剂上移至液面，使憎水基指向空气，减少了水与空气的直接接触面。b、表面活性剂憎水基互相结合，水中的表面活性剂分子三三两两的聚集到一起，互相把憎水基靠在一起，开始形成胶束。（3）临界胶束浓度溶液中表面活性剂浓度继续增加，水溶液表面凝集了足够的表面活性剂，并紧密的排布于液面上，形成一层单分子膜，水与空气完全处于隔绝状态。继续增加表面活性剂浓度，水溶液中的表面活性剂分子排列成憎水基向内，亲水基向外的球形胶束，胶束稳定的溶于水中。此时，液体的表面张力降到最低。（4）大于临界胶束浓度溶液中表面活性剂浓度继续增加，水溶液表面与空气间形成了紧密的单分子膜，两者的接触面不会再缩小，因此，表面张力也不再变化而维持在一定的水平。在水溶液中形成大量的胶束。对油、水界面而言，处于界面的表面活性剂分子的憎水基与亲水基分别指向油和水，构成了油、水界面的界面吸附层，降低了油、水界面间的界面张力。（四）表面活性剂的亲水亲油平衡值（HLB）表面活性剂具有不对称的构造，由于构成亲油端和亲水端的基团可以很多，因此，这些基团对表面活性剂整体的亲油性或亲水性的影响亦各不相同，亲油端的亲油强度大，相对地亲水端的亲水强度较小，则该表面活性剂表现出较强的亲油性。反之，则表现出较强的亲水性。1、基本概念2、表面活性剂的性能与HLB值的关系3、HLB值的获取方法（1）查表法（2）计算法（3）实验法1、HLB的基本概念HLB值是定量反映表面活性剂中两端不同基团对表面活性剂亲油性或亲水性的综合影响程度。HLB值的大小不仅影响表面活性剂的性能，而且也影响表面活性剂的使用。其值越大，其水溶性越好，油溶性越差，反之，其油溶性越好，水溶性越差。一般在0-40范围之内，石蜡完全没有亲水基，其HLB值为0，月桂醇硫酸钠内含大量亲水基，完全溶解于水中，故其HLB值为40。2、表面活性剂的性能与HLB值的关系水溶性高油溶性高实际上选用表面活性剂的HLB值一般均在20以下。纺织工业常用的乳化剂的HLB值都在8-13之间。二、表面活性剂的分类及其作用表面活性剂的分类方法很多，但最常用，最简便的分类方法是按其在水溶液中的离子特性来分类。（一）阴离子表面活性剂（二）阳离子表面活性剂（三）非离子表面活性剂（四）两性表面活性剂（一）阴离子表面活性剂1、结构特点2、使用特点3、应用1、结构特点当它溶解水中时发生电离，与憎水基相联的亲水基是阴离子，即亲水端带负电荷。如：肥皂是高级脂肪酸的钠盐。2、使用特点（1）碱性染料具有阳电荷，阴离子对此有中和、沉淀的作用，不能共用。（2）阴离子对阳离子表面活性剂有中和、沉淀的作用，不能共用。（3）对纤维素纤维的亲和力较小，甚至没有，但对蛋白质在酸性介质中有较强的亲和力。（与其动电电位有关）3、应用多为乳化、润湿、渗透、去污及净洗作用。在麻的脱胶、绢纺原料的精练、毛的洗涤、炭化工程、经纱上浆工程中都有广泛的应用。（二）阳离子表面活性剂阳离子型表面活性剂的应用历史、应用范围及其种类都不及阴离子型表面活性剂，但它所具有的特殊功能也是其他表面活性剂所不及的，因而阳离子型表面活性剂近年来发展较快。1、结构特点2、使用特点点3、应用1、结构特点当它溶解水中时发生电离，与憎水基相联的亲水基是阳离子，即亲水端带正电荷。如：烷基三甲基溴化铵：2、使用特点（1）直接染料、酸性染料具有阴电荷，阳离子对此有中和、沉淀的作用，不能共用。（2）阴离子对阳离子表面活性剂有中和、沉淀的作用，不能共用。（3）对纤维素纤维有较强的亲和力，对蛋白质在中性和碱性介质中有较强的亲和力。（与其动电电位有关）3、应用具有乳化、纤维软化、杀菌作用。可用于织物防霉防蛀整理、纤维反应性树脂加工，作为防缩、防皱整理剂。（三）非离子表面活性剂非离子型表面活性剂是使用范围仅次于阴离子型表面活性剂的一大类的表面活性剂。1、结构特点在水溶液中不起电离作用。2、使用特点（1）对各种纤维一般无亲合力。用后容易洗涤。（2）极易溶于水，对酸、碱作用稳定。（3）可与各种类型的表面活性剂共用具有乳化、渗透、洗涤作用。（四）两性表面活性剂1、结构特点2、作用原理3、使用特点1、结构特点2、作用原理通常所说的两性表面活性剂是指阴离子和阳离子组合而成的。与蛋白质一样，这种阴离子和阳离子组合两性表面活性剂具有等电点，在不同的介质条件下，性质不同。小于等电点时，表现为阳离子性质，反之，表现为阴离子性质。3、使用特点（1）能和任何类型的表面活性剂混合使用。（2）良好的杀菌作用，毒性小，对皮肤的刺激性轻微，可用于食物的杀菌、洗涤。（3）耐硬水，在多价金属离子存在的情况下仍具有良好的洗涤作用。具有乳化、渗透、洗涤作用。可对羊毛进行等电洗涤，可对绢纺原料进行等电精练。第二节乳化作用及其在纺织加工中的应用在纤维纱线的加工过程中，利用表面活性剂的乳化作用来完成的有：1、麻纤维脱胶中的给油。2、软麻工程中的加乳化液。3、毛纺工程中使用的和毛油。4、绢纺原料的脱蛹油。5、经纱上浆工程中使用的浆纱牛油。一、乳化液二、乳化剂三、乳化液的形成过程四、乳化液的应用五、乳化液的制备六、乳化液的稳定性一、乳化液（一）概念（二）类型（一）概念乳化液是一种粗分散体系，这类分散体系一般是由两种互不相溶的液体组成的，两种液体中的一种以小液滴的状态均匀地、稳定地悬浮在另一液体中，呈乳白色。在乳化液中，两种互不相溶的液体通常是指油和水。油是一种广义的概念，指凡不与水相溶的有机物质如油、脂肪、蜡、苯等物质。以小液滴存在的那个相称为内相或分散相，另一相称为外相、连续相或分散介质。（二）类型1、油在水中型（O/W）乳化液中油为内相，水为外相。在纺织工业中使用的乳化液是此类。2、水在油中型（W/O）乳化液中水为内相，油为外相。二、乳化剂油与水是不能互相混合的，即使在激烈的搅拌下，油与水虽可暂时比较均匀地混合在一起，但一旦停止搅拌，油水就会停止搅拌，油水就会中心分离。油的比重比水轻，所以油总是浮在水的上面，油、水界面及其明显。在其中加入乳化剂，微小的油滴粒子就能均匀的分布在水中，可以长期保持稳定性而不分层。（一）概念（二）液体中分子的热力学性质（三）乳化剂的作用（一）概念乳化剂是指那些能降低油、水界面张力，使一种液体以极小的液滴（直径小于2μm）的形式均匀、稳定地分布在另一种液体中的表面活性物质。（二）液体中分子的热力学性质1、分子的受力情况（1）液体内部的分子（2）两种液体界面的分子2、表面自由能（1）表面功（2）表面自由能（3）减少表面自由能的途径（1）液体内部的分子周围分子对它的作用在各个方向上都相等，彼此互相抵消，其合力为零，因此它在液体内部可以任意移动而无需外力做功。（2）两种液体界面的分子受到两种液体分子的不均一的作用，所受合力不等于零，两种液体的界面越大，界面上的分子越多，以及两种液体的性质相差越大，其所受的合力越大。在此合力作用下有把液体界面自动缩小的的倾向，以求的两种液体间的稳定。（1）表面功如果把一个分子从液体内部移到界面上（或扩大界面积）就需克服内部分子的吸引力而作功。这种在形成新界面过程中所消耗的功称为表面功。（2）表面自由能表面功将转变为表面层分子的自由能，这种多余自由能为表面自由能，或简称为表面能。（3）减少表面自由能的途径根据热力学第二定律，表面能有自发减少的倾向，以求得自身的稳定。用公式表示为：从上式可知，减少表面自由能的途径有两种：（1）自发减少界面积（2）降低表面张力（三）乳化剂的作用对于乳化液体系来说，表面能的减少通过减少界面积显然是不适当的，减少界面积必定要破坏乳化液的稳定性使其分层。乳化液两液体之间的界面积要尽可能扩大，又要减少表面能，只有通过大大降低界面张力的办法，最简单的办法就是在油、水液体之间加入乳化剂。三、乳化液的形成过程（一）油在水中型乳化液O/W的形成（二）水在油中型乳化液W/O的形成（三）乳化液的变相(1)肥皂是高级脂肪酸的钠盐或钾盐，以钠盐为例，其结构为:其中烷烃基为亲油剂，羧酸盐基为亲水基。由于肥皂分子两端受到油、水分子相斥、相吸的结果，使肥皂定向地吸附在水相和油相之间，亲油基指向油，亲水基指向水，（一）油在水中型乳化液O/W的形成(2)由于亲水基的作用范围大于亲油基，因此，油液被分隔成微小的液滴存在与水相中间，形成了油在水中型乳化液。(3)肥皂的单分子膜紧紧地包围在油滴的外表，于是防止了由于液滴之间相互碰撞而造成重新凝聚的现象，从而增加了乳化液的稳定性。（二）水在油中型乳化液W/O的形成钙皂是高级脂肪酸的钙盐，其结构为:钙皂定向地吸附在水相和油相之间，亲油基指向油，亲水基指向水，由于亲油基的作用范围