表面活性剂(化学物质成分)

执著 — Sun, 27 Nov 2022 04:08:04 +0000

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。从理化性质看，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。

结构

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”（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。

性质

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）。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。

吸附性

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。

原理

通过分子中不同部分分别对于两相的亲和，使两相均将其看作本相的成分，分子排列在两相之间，使两相的表面相当于转入分子内部。从而降低表面张力。由于两相都将其看作本相的一个组分，就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面，就相当于通过这种方式部分的消灭了两个相的界面，就降低了表面张力和表面自由能。

化学结构

疏水基

疏水基按应用分四种

1、脂肪烃：

2、芳香烃：

3、混合烃：

4、带有弱亲水性基

5、其他：全氟烃基

疏水性大小：5>1>3>2>4

亲水基

末端：净洗作用强，润湿性差；中间：相反。

分子量

HLB值、亲水基、疏水基相同，分子量小，润湿作用好，去污力差；

分子量大，润湿作用差，去污力好。

浊点

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。

当温度上升，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。

起源

1、公元前2500年——1850年羊油和草木灰制造肥皂

羊油——三羧酸酯简称三甘酯，经碱水解→羧酸盐+单甘酯+二甘酯+甘油

19世纪中叶

一方面肥皂开始实现工业化大生产，另一方面，也出现了化学合成的表面活性剂

2、土耳其红油的出现：

土耳其红油即蓖麻油与硫酸反应的产物，蓖麻油为蓖麻油酸的三甘酯

深度磺化，耐酸耐硬水

3、19世纪初，矿物原料制备洗涤剂

石油工业的发展→石油硫酸（绿油）

蜡和茶的磺化混合物，溶于酸中，呈绿黑色，用碱中和制得。

石油磺酸皂具有良好的水溶性，称绿钠（第一个矿物原料制得的洗涤剂）

第一次世界大战期间，油脂出现

煤炭产量→煤化工业发→短链烷基、奈磺酸盐类表面活性剂

如丙基奈磺酸盐、丁基奈磺酸盐

1920——1930脂肪醇硫酸化→烷基硫酸盐

20世纪30年代，长链烷基、苯基出现于美国

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。

现状

表面活性剂是从20世纪50年代开始随着石油化工业的飞速发展而兴起的一种新型化学品，是精细化工的重要产品，享有“工业味精”的美称。它几乎渗透到一切技术经济部门。当今，表面活性剂产量大，品种逾万种。随着世界经济的发展以及科学技术领域的开拓，表面活性剂的发展更加迅猛，其应用领域从日用化学工业发展到石油、食品、农业、卫生、环境、新型材料等技术部门。但在表面活性剂给人们生活、给工农业生产带来极大方便的同时，也给环境带来了污染，因此，研究表面活性剂发展及其趋势，对表面活性剂工业，乃至我国整体工业经济有着非常重要作用和意义。

1.烷基磷羧酸盐（AEC）工业化制造

表面活性剂应人类要求正向着温和、易生物降解和多功能性，强调使用安全、生态保护和提高效率的方向发展。例如：烷基醇醚羧酸盐（AEC）是8O年代以来，发达国家积极研究开发的优质表面活性剂热点品种，它与烷基多苷和醇醚磷酸单酯同被称为“表面活性剂90年代的绿色品种”。

烷基醚羧酸盐国内的应用市场还远远落后于发达国家，随着环保意识的不断加强和人民物质文化水平的不断提高，这类集温和、易生物降解和多功能性于一身的表面活性剂，在金属加工领域内，将发挥更大作用。

2.新一代表面活性剂Gemini

现已经合成的低聚表面活性剂有二聚体、三聚体和四聚体等，其中最引人注目的是二聚体，结构示意图见图1，二聚表面活性剂最早被合成于1971年，后因其结构上的特点而被形象地命名为Gemini（英文是双子星之意）表面活性剂。

表面活性剂Gemini（或称dimeric）提高了表面活性。与当前为提高表面活性而进行的大量尝试，如添加盐类、提高温度或将阴离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合相比较，Gemini表面活性剂是概念上的突破，因而被誉为新一代的表面括性剂。

离子相当紧密的连接，致使其碳氢链间更容易产生强相互作用，即加强了碳氢链问的疏水结合力，而且离子头基间的排斥倾向受制于化学键力而被大大削弱，这就是Gemlrd表

面活性剂和单链单头基表面括性剂相比较，具有高表面括性的根本原因。另一方面。在两个离子头基问的化学键联接不破坏其亲水性，从而为高表面活性的C~mini表面活性剂的广泛应用提供了基础。通过化学键联接方法提高表面活性和以往通常应用的物理方法不同，在概念上是一个突破。

离子型Gemini表面活性剂的特征性质：

（1）更易吸附在气/液表面，从而更有效地降低水溶液表面张力。

（2）更易聚集生成胶团。

（3）Gemini降低水溶液表面张力的倾向远大于聚集生成胶团的倾向，降低水溶液表面张力的效率是相当突出的。

（4）具有很低的Krat~相转移点。

（5）对水溶液表面张力的降低能力和降低效率而言，Gemini和普通表面活性剂尤其是和非离子表面活性剂的复配能产生更大的协同效应。

（6）具有良好的钙皂分散性质。

（7）在很多场合，是优良的润湿剂。

Gemini表面活性剂正在成为世界胶体和界面科学领域各主要小组的研究方向。

3.AB型嵌段高分子表面活性剂

涂料中颜填料的分散先后使用过聚磷酸盐、硅酸盐、碳酸盐等无机分散剂，传统小分子表面活性剂和聚羧酸盐、聚丙酸酸盐等高分子化合物。高分子化合物主要利用空间位阻使颜填料颗粒稳定，效果好于小分子表面活性剂的静电排斥作用。研究表明，在众多类型的高分子分散剂中，效果最好、效率最高的是AB型嵌段高分子表面活性剂。从分子结构上看，AB型嵌段高分子就是超大号的表面活性剂，A嵌段和B嵌段分别类似于表面活性剂的亲水头基和疏水尾链。AB嵌段高分子表面活性剂在颜填料表面采取尾型吸附形态，A嵌段是亲颜料的锚固基团，B嵌段是亲溶剂的溶剂化尾链。A嵌段可以是酸、胺、醇、酚等官能团，通过离子键、共价键、配位键、氢键及范德华力等相互作用吸附在颗粒表面，由于含有多个吸附点，可以有效地防止分散剂分子脱附，使吸附紧密且持久。B嵌段可以是聚醚、聚酯、聚烯烃、聚丙烯酸酯等基团，分别适用于极性和非极性溶剂。典型的AB嵌段型高分子表面活性剂结构如图3所示。稳定颗粒主要依靠B嵌段形成的吸附层产生的空间位阻作用，所以对作为溶剂化尾链的B嵌段的长度和均一性有极高的要求，希望可以形成厚度适中且均一的吸附层，如果B段过长，可能会起架桥作用，引起分散体系黏度增加，甚至絮凝沉淀。通常认为位阻层的厚度为20nm时，可以达到最好的稳定效果。

合成分子结构明确和相对分子质量可控的AB型嵌段高分子表面活性剂是涂料分散助剂的发展方向，这需要用到受控聚合技术。但仅有BYK、Ciba、Rhodia等少数几个公司拥有受控聚合技术。深圳海川公司正在开发的新型分散剂也是AB型嵌段高分子表面活性剂。

4.Bola型表面活性剂

Bola型表面活性剂是由两个极性头基用一根或多根疏水链连接键合起来的化合物，它因形似南美土著人的一种武器Bola（一根绳子的两端各连接一个球）而得名，最简单的Bola型表面活性剂结构如图3所示。典型的缔合型增稠剂如图4所示。

分子两端的疏水基团起缔合作用，相当于Bola型表面活性剂的2个端头基，是增稠的决定因素，通常是油基、十八烷基、十二烷苯基、壬酚基等。亲水链相当于Bola型表面活性剂的连接链，能提供化学稳定性和黏度稳定性，常用的是聚醚，如聚氧乙烯及其衍生物。缔合型增稠剂的分子链是通过聚氨酯基团来扩展的，所用聚氨酯有IPDI、TDI和HMDI等。这样的分子结构使缔合型增稠剂分子可以像大分子表面活性剂一样形成胶束，亲水端与水分子以氢键缔合，疏水端与乳液粒子、表面活性剂等的疏水结构吸附缔合在一起，在水中形成立体网状结构，达到增稠的效果。

5.Dendrimer型表面活性剂

Dendrimer就是树枝状大分子，它是从一个中心核分子出发，由支化单体逐级扩散伸展开来的结构，或者由中心核、数层支化单元和外围基团通过化学键连接而成的。已经有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚芳烃、聚有机硅等类型。树枝状大分子的特性是其分子结构规整，分子体积、形状和末端官能团可在分子水平上设计与控制，因此成为高分子学科的热门课题。按照需求对其端基进行改性，就得到相应的树枝状大分子表面活性剂。树枝状大分子也引起涂料界的关注，开发出该种类型的分散剂、交联剂和专用树脂等。树枝状表面活性剂用作涂料分散剂有两方面优势，首先，通过对其端基修饰，可以产生多个颜料亲和基团，加强与颜料的相互作用。其次，由于分子结构一致，且形状近似椭球形，在分散体系中比较容易获得较低黏度。超支化聚氨酯用聚乙二醇或环氧丙烷共聚物改性，是一种新型的高固体分、溶剂性或水性涂料的颜料分散剂。以商品化的超支化聚酯、聚酯-酰胺、聚乙烯亚胺为骨架，加以改性开发的核-壳型颜料锚固机制的分散剂，其优点是在低黏度下具有颜料分散稳定性。

6.低泡或无泡表面活性剂

低泡或无泡表面活性剂就是在原有的表面活性剂基础上进行改性，使其原有的发泡基团失去或降低发泡性，也有用异构醇加EO和PO进行嵌段来调节泡沫大小生产而成的。市场有低泡表面活性剂LT-601，无泡表面活性剂8550、8551。

原理

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。

1，双子表面活性剂都具有两个疏水链和亲水头基；

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，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。

5，还有关于合成多亲水头基和疏水链结构的表面活性剂的报道。

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，在化妆品中，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。

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。

随着表面活性剂技术的发展，已研发出应用于泄漏应急处理的特殊表面活性剂，其中应用比较成熟的是美国的百索福专利技术。其特点是水基、无闪点、非易燃、无酶、无微生物、非洗涤剂、非磷酸盐、无毒、无腐蚀、对植被无危害、对动物无害、对水和水层无危害等，主要作用于安全控制油、燃料泄漏和其它碳氢化合物所造成的污染。

作用原理：其极具亲脂性、亲水性，是水基表面活性剂，混合比例为2%-6%，不与油有任何反应，只是物理性的把油包裹起来，象胶囊那样把油锁在里面。能够“抓住”碳氢化合物分子，将它们保留在溶液中形成乳胶，将它们脱离坚硬表面（例如，金属、混凝土、沥青），以可用水去除的形式释放。这种乳胶不易挥发且容易生物降解。成为修复油和去除燃料污染时的一种有效途径。