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1、第一章 水和表面活性剂,第一节 染整加工用水及水的软化处理,1、水及其与染整加工的关系,一般来说，助剂或染料对纺织纤维的作用是以水为介质的。因此，水的质量对纺织品染整加工起着非常重要的作用。了解自然界水源及其分布、水中各种杂质的形成以及对染整加工可能造成不良影响的杂质的去除对纺织品染整加工是十分必要的。水的一般来源为雨水、地表水、浅地下水和深地下水。,控制染整厂用水质量是保证染整加工质量和加工环节顺利进行的一个重要前提。染整厂对所用水质的具体要求如表所示。,2、水的硬度和印染用水的软化,重碳酸盐的形成过程如下： CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2 MgCO3+CO2+H2OMg(HC
2、O3)2 通过加热可将钙的重碳酸盐转化为不溶于水的碳酸钙 Ca(HCO3)2CaCO3 +CO2 +H2O,镁的重碳酸盐可以通过沸煮转化成为碳酸镁，进一步转化为不溶性的氢化镁： Mg(HCO3)2MgCO3 +CO2 +H2O MgCO3 +H2O Mg(OH)2 +CO2,水的软化处理方法有石灰纯碱法、离子交换法和软水剂添加法。 氢氧化钙和碳酸钠是石灰纯碱水软化过程中采用的药品，这些药品的加入使上述物质发生沉淀，从水中去除。碳酸氢盐可以用氢氧化钙(石灰)去除，而非碳酸盐引起的水硬度则可用碳酸钠(纯碱)消除。上述过程可由下列化学反应式表示：,Ca(HCO3)2+Mg(OH)22CaCO3 +2
3、H2O Mg(HCO3)2+Ca(OH)2MgCO3 +CaCO3 +2H2O MgCO3+Ca(OH)2Mg(OH)2 +CaCO3 MgSO4+Ca(OH)2Mg(OH)2 +CaSO4 CaSO4+Na2CO3CaCO3 +Na2SO4,离子交换法,软水剂添加法,第二节 表面活性剂及其在染整加工中的应用,1、表面张力与自由能,任何自然状态下的液体都有自发地减小其自身表面积的趋势，表面积的减小是降低其状态能量的有效途径。液体分子之间存在着相互吸引力，液体内部所有分子所受到的合力为零。对于液体表面的分子来说，由于液体表面以外的气相中分子密度相对很小，分子所受到来自气相的吸引力远比来自液体内部
4、分子的吸引力小。,因此液体表面的分子实际上受到垂直于液体表面且指向液体内部的合力，上述作用可在下图中示意性地表达。,定义：液体与其所接触的气体之间的界面自由能，一般叫做表面自由能。,定义：式中是液体的表面张力系数，简称表面张力。表面张力的常用单位为mN/m。以上所说的液体的表面张力实际上是液体与其所接触的气体之间的界面张力，一般叫做表面张力。,2、表面活性剂及其水溶液的特性,定义：可以降低另一物的表面张力的物质，即为表面活性剂。,通常意义上的表面活性剂是指具有亲油基和亲水基的两亲分子。,各种表面活性剂分子结构示意图,胶束(MICELLE)与临界胶束浓度,表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓
5、度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体称为胶束。,随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。,胶束(micelle),胶束(micelle),胶束(micelle),胶束(micelle),临界胶束浓度 (CRITICAL MICELLE CONCENTRATION),临界胶束浓度简称CMC,表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。,这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面
6、张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。,3、表面活性剂的渗透和润湿作用,液体对固体表面的润湿程度和接触角,接触角与界面自由能的关系,前进角和后退角,在纺织品的湿加工过程中，作为润湿剂的表面活性剂的加入可以降低水溶液与纤维之间的界面张力sl和水溶液自身的表面张力lg ，从而可促进水溶液在纤维表面的铺展，从而为提高纤维的润湿性能起到积极作用。,4、表面活性剂的乳化、分散和增溶作用,乳化作用,一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。,要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同
7、可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。,有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。,常用的破乳方法有： （1）用不能生成牢固保护膜的表面活性物质来替代原来的乳化剂； （2）用试剂破坏乳化剂； （3）向乳状液中加入适量起相反效应的乳化剂； （4）除以上方法外，用升高温度以降低分散介质的粘度，从而降低乳状液的稳定性。还可在离心力场下使乳状液浓缩；在外加电场下使分散的液滴聚结；在加压下使乳状液通过吸附剂层等方法。,乳状液类型,简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水
8、的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为内相，将连续存在的液相称为外相。,1.水包油乳状液，用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。,2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。,检验水包油 乳状液,加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。,加入油溶性的染料红色苏丹，说明油是不连续相。,增溶作用,非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。,增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。,经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同
9、程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。,洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。,其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：,水的表面张力大，对油污润湿 性能差，不容易把油污洗掉。,5、表面活性剂的去污作用,B. 加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。,C. 污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。,6、常见表面活性剂及其在染整加工中的应用,表面活性剂分类,表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子
10、型和两性型表面活性剂。,阴离子表面活性剂,高级脂肪酸盐类 肥皂是此类表面活性剂中的代表。它是以油脂为主要原料，通过与碱的水溶液加热水解而生成：,磺酸盐类 （1）烷基苯磺酸盐类 （2）烷基萘磺酸盐类 （3）烷基磺酸盐类,烷基硫酸酯盐类 土耳其红油 烷基磷酸酯盐类,阳离子表面活性剂的品种一般有胺盐和季铵盐两种。胺盐型阳离子表面活性剂中多数可以用作纺织品的柔软剂。其他常用的阳离子表面活性剂多为季铵盐型。,阳离子表面活性剂,两性表面活性剂,两性表面活性剂主要是指同时兼具阴离子性和阳离子性的品种。在其等电点以上和以下的水溶液中，它们分别表现出阴离子和阳离子表面活性剂的性能，而在其等电点的水溶液中则表现出
11、类似非离子表面活性剂的性能。 十二烷基氨基丙酸甲酯是氨基酸型两性表面活性剂中的一种： C12H25NHCH2CH2COONa,非离子表面活性剂,非离子型表面活性剂在水溶液中不发生电离，其亲水基团主要由一定数量含氧的醚基和羟基组成。非离子表面活性剂的应用越来越广泛，其产量和用量在表面活性剂的总产量和总用量中的比例逐渐增加，有超过其他类型表面活性剂的趋势。,亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance),表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量，所以Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性。,两亲分子HLB值
12、是一个很有价值但并不精确的标准，下面介绍一些估算方法,7、表面活性剂化学结构与性能的关系,HLB值及其测定,1. Griffin法（1949年） 人为规定：最不亲水的石蜡的HLB值为0，最亲水的十二烷基硫酸钠的HLB值为40，然后根据乳化效果来排队，愈亲水，则HLB值愈大。,例如：石蜡无亲水基，所以HLB=0 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。 其余非离子型表面活性剂的HLB值介于020之间。,3. 多元醇脂肪酸酯的HLB值 1954年，Griffin提出： HLB = 20(1-S/A) S酯的皂化值 A脂肪酸的酸值 4. 基数法Davies(1957) HLB=7+ (亲水基的基数)
13、(亲油基的基数) Lin-Marszall计算法 HLB=AlnCMC+B A,B 因不同种类表面活性剂而异 6. 由溶解能力估算：溶解度越大，HLB值越大。,根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂。例如：HLB值在26之间，可作油包水型的乳化剂；810之间作润湿剂；1218之间作为水包油型乳化剂。,HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂 | | 聚乙二醇 O/W乳化剂,8、表面活性剂的安全性及其生物降解,一些表面活性剂的LD50和ECO50值,表面活性剂的生物降解可以通过三种氧化方式实现，这三
14、种方式分别为分子碳链末端的氧化、氧化和芳环氧化。 部分表面活性的生物降解性如下图：,9、绿色表面活性剂,烷基多糖苷又叫做APG，是以淀粉或葡萄糖和天然脂肪醇为原料合成的一种新型表面活性剂，具有无毒、无刺激和生物降解快而彻底的优点。其基本合成反应如下：,烷基葡萄糖酰胺又叫做N烷酰基N甲基葡萄糖，简称MEGA。 MEGA是一种非离子表面活性剂，其生物降解率可达到9899。其性能温和，对环境和生物的安全性极高。,MEGA,醇醚按酸盐又叫做AEC，是国外于20世纪80年代研究开发的一种性能优良的阴离子发面活性剂。AEC的合成可以分为羧甲基化法和氧化法两种。按甲基化法相应的反应如下： RO(CH2CH2O)nH+ClCH2COOHNaRO(CH2CH2O)nCH2COOH+NaCl,
