精细化工概论第二版课件 教学课件 ppt 作者 丁志平 主编第3章 表面活性剂

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1、精细化工概论,第三章 表面活性剂,第一节 概 述,一、 表面活性剂的定义及其结构特点和分类 1、 表面活性剂的定义 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。表面活性剂可以产生润湿或反润湿，乳化或破乳，分散或凝集，起泡或消泡，增溶等一系列作用。素有“工业味精“之美称，广泛应用于洗涤剂、纺织、皮革、造纸、塑料、橡胶、农药、冶金、矿业、医药、建筑、化妆品等工业。它是精细化工最重要的产品之一。,第一节 概 述,2、 表面活性剂的结构特点 表面活性剂具有如下结构特点： （1）双亲性 表面活性剂的分子结构具有不对称的极性的特点，分子中同时含有亲水性的极性基团和亲油

2、性的非极性基团亲水基和亲油基，因此，表面活性剂具有既亲水又亲油的双亲性。 （2）溶解性 表面活性剂至少应溶于液相中的某一相。 （3）表面吸附 表面活性剂的溶解，使溶液表面自由能降低，产生表面吸附，在达到平衡时，表面活性剂在界面上的浓度大于溶液整体中的浓度。 （4）界面定向 吸附在界面上的表面活性剂分子，定向排列成分子膜，覆盖于界面上。 （5）形成胶束 当表面活性剂在溶剂中的浓度达到一定值时，其分子会产生聚集生成胶束，这一浓度的极限值称为临界胶束浓度（简称CMC）。 （6）多功能性 表面活性剂在其溶液中显示多种复合功能。如清洗、发泡、润湿、乳化、增溶、分散等。,第一节 概 述,3、 表面活性剂的

3、分类 （1）阴离子表面活性剂 这类表面活性剂在水溶液中能解离出带负电荷的亲水性基团，按其亲水基又可分为： 羧酸盐型 R-COONa 硫酸酯型 R-OSO3Na 磺酸盐型 R-SO3Na 磷酸酯型 R-OPO3Na 在阴离子表面活性剂中，最重要的是直链烷基苯磺酸盐，它是洗涤剂和清洗剂中最重要的表面活性剂。随着生产技术的进步，脂肪醇醚和脂肪醇硫酸盐的产量也有了大幅上升。,第一节 概 述,（2）阳离子型表面活性剂 这类表面活性剂在水溶液中能解离出带正电荷的亲水性基团。又可分为： 胺盐型 R-NH2HCl R-NH(CH3)HCl 季铵盐型 R N+(CH3)3Cl R-N(CH3)2HCl 其它型

4、阳离子表面活性剂中最重要的是双十八烷基双甲基氯化铵(C18H37)2 N+(CH3)2Cl，季铵盐氮原子上的正电荷为分子提供了水溶性，它主要用作纺织品的柔软剂和抗静电剂。,第一节 概 述,（3）两性离子表面活性剂 这类表面活性剂在它的分子中同时含有可溶于水的正电性和负电性基团。在酸性溶液中，正电性基团呈阳离子性质，显示阳离子型表面活性剂性质；在碱性溶液中，则负电性基团呈阴离子性质，显示阴离子表面活性剂性质；而在中性溶液中，则呈非离子性质。它主要包括以下三类： 氨基酸型 RNHCH2CH2COOH 甜菜碱型 RN+(CH3)2CH2COO 味唑啉型,第一节 概 述,（4）非离子型表面活性剂 这类

5、表面活性剂溶于水后不离解成离子，因而没有带电荷的基团，但同样具有亲水性和亲油性。按其亲水基结构可分为以下四类： 醚型 RO (C2H4O)n H 其亲水基为氧乙烯基 (OCH2 CH2 )n 酯型 多元醇的脂肪酸酯 HCOH HCOH 醚酯型 多元醇脂肪酸酯的氧乙烯醚RCOOR(OCH2CH2 )n OH 多元醇型 RRCOOCH2(CHOH)3H （5）特殊表面活性剂,第一节 概 述,表3-1 表 面 活 性 剂 的 分 类,第一节 概 述,第一节 概 述,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）具有双亲媒性结构 物质的性质是由分子结构决定的，表面活性剂的分子具有

6、不对称的双亲媒性结构，即所有表面活性剂分子结构中都含有长的非极性链，一般是长碳链的碳氢化合物；它能溶于油而不溶于水，分子的这一端被称为亲油端或疏水端，另一端则是水溶性的，被 称为亲水端。所以表面活性剂分子具有亲水和亲油的双重性质。,第一节 概 述,第一节 概 述,（2）表面张力 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面的力称为表面张力。表面张力的单位用N/m表示。表面活性剂最大特性之一就是即使在较低浓度下也能显著降低溶剂的表面张力。图3-2为表面活性剂的浓度变化及其活动情况图。,第一节 概 述,表面活性剂形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度（CMC）。高于或低于临界胶束浓

7、度时，水溶液的表面张力及其他许多物理性质都有很大的差异。因此，表面活性剂溶液只有当其浓度稍大于临界胶束浓度时，才能充分显示其作用。表面活性剂浓度与溶液性质的关系如图3-3所示。,第一节 概 述,（3）界面电荷 从电化学可知，一般在两个相接触面上的电荷分布是不均匀的，特别是溶剂中加了表面活性剂以后，由于活性剂的吸附而产生界面电荷的变化。这种变化对界面张力、接触角等界面现象，或者分散体系特有的凝聚、分散、沉降和扩散等现象有相当明显影响。 （4）胶束和增溶 加入表面活性剂能使一些不溶于水或微溶于水的有机物在水溶液中的溶解度增大，由于这种现象是在CMC浓度以上发生的，所以和胶束的形成有密切关系。一般认

8、为，胶束内部与液状烃近似，若在CMC浓度以上的溶液中加入难溶于水的有机物质时，有机物就会溶解成透明水溶液，这种现象称为增溶现象。这是由于有机物质进入与它本身性质相同的胶束内部而变成在热力学上稳定的各向同性溶液的结果。不同表面活性剂的增溶能力亦不同。,第一节 概 述,2、表面活性剂的活性作用 (1)润湿和渗透作用 （2）乳化和分散作用 （3）发泡和消泡作用 （4）洗涤作用 （5） 增溶作用,第一节 概 述,三、 表面活性剂的亲水、亲油平衡值 表面活性剂的亲水亲油平衡值（hydrophile lipophile balance ，HLB）是表示表面活性剂的亲水性、亲油性好坏的指标。HLB值越大，该

9、表面活性剂的亲水性越强；HLB值越小，该表面活性剂的亲油性越强。表面活性剂的HLB是选择和评价表面活性剂使用性质的重要指标，它有两种表示法：一种以符号表示，亲水性最强的为HH，强的为H，中等的为N；亲油性强的为L，最强的为LL。另一种以数值表示，HLB值为40的是亲水性最强的，而为1的是亲水性最弱的表面活性剂。表面活性剂HLB值的范围与其在水中溶解的情况见表3-2，HLB值和表面活性剂用途的关系见图3-4。,第一节 概 述,第一节 概 述,表面活性剂的亲水亲油平衡值HLB是一个经验值。也可将HLB值作为结构因子的总和来处理，把表面活性剂结构分解为一些基团，并可认为每一个基团对HLB值均有确定的

10、贡献。由实验得出各种基团的HLB数值，称为HLB基团数值。列于表3-3中。,第一节 概 述,四、表面活性剂的工业应用 1、 洗涤剂 （1）纤维工业用洗涤剂 （2）家庭用洗涤剂 （3）除纤维工业之外的其他工业用洗涤剂,第一节 概 述,2、 润湿剂、渗透剂 （1）溶液的性质与渗透剂的种类 当被渗透的溶液种类不同时，所用的渗透剂也不相同。多数情况下，溶液的pH值即酸碱性对选择渗透剂十分重要。作为强碱性溶液的渗透剂，不能有酯键(COOR)，因为酯键会被碱皂化分解。作为强酸性溶液的渗透剂，不能用硫酸酯盐型的表面活性剂，因其会使渗透剂分解。对含大量无机盐的溶液，因渗透剂难溶于其中，必项用特别易溶的渗透剂。

11、对含氧化剂的溶液，应选择耐氧化性的渗透剂。渗透剂的种类与溶液的pH值之间的关系如表3-4所示。,第一节 概 述,第一节 概 述,（2） 中性溶液的渗透剂 在弱酸至弱碱性范围内使用的渗透剂称为普通渗透剂。在阴离子系列中，渗透剂OT、十二烷基苯磺酸钠、月桂基硫酸脂钠、烷基萘磺酸钠、油酸丁酯的硫酸化物等都是常用的渗透剂。特别是渗透剂OT，它是最富有渗透性的产品。其分子结构为：,（3） 特殊渗透剂 对于高浓度盐类溶液、强碱性溶液、强氧化剂溶液，由于渗透剂易在溶液中分解或难于溶解，因此要采用特殊渗透剂。,第一节 概 述,3 、 乳化剂、分散剂、增溶剂 （1）在纤维工业中的应用 （2）在合成树脂工业中的应

12、用 4、 发泡剂与消泡剂 （1）发泡剂与泡沫稳定剂 （2）消泡剂 5、 纤维柔软整理剂 6、 抗静电剂 7、 杀菌剂 8、 匀染剂 9、 防水整理剂 10、 絮凝剂,第二节 阴离子表面活性剂,一、 羧酸盐型阴离子表面活性剂 1、 脂肪酸盐 最常用的脂肪酸盐阴离子表面活性剂俗称皂类，是应用最多的表面活性剂之一。肥皂是直链C9C21烃基羧酸盐，它的分子式是RCOOM+，M通常是Na+、K+或NH4+。肥皂是由天然动植物油脂或它的脂肪酸与碱皂化制得。,第二节 阴离子表面活性剂,2、 脂肪醇聚烷氧基醚羧酸盐 脂肪醇聚烷氧基醚羧酸盐的典型代表是脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐，它的分子式是R(OC2H4)nOCH

13、2COOM，R是C10C18烷基或烷基芳基，n是大于1的整数，它是非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚进行阴离子化后的产品。 脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐的碱稳定性、润湿、去污力良好，是纺织工业的良好助剂，用于棉花与羊毛的漂煮、洗净。它也是制备化妆品的良好表面活性剂。,第二节 阴离子表面活性剂,二、 硫酸酯型阴离子表面活性剂 1、 脂肪醇硫酸盐 脂肪醇硫酸盐（简称AS）是硫酸的半酯盐，其通式是ROSO3M，R是C12C18的烃基，C12C14的醇最理想；M为碱金属、铵或有机胺盐，如二乙醇胺或三乙醇胺。 脂肪醇硫酸盐有良好的去污、乳化、分散、润湿、泡沫性能，在硬水中稳定，是生产合成洗 涤剂、洗发香波、牙膏

14、、地毯香波、化妆品的主要表面活性剂，也可作纺织工业用助剂和聚合反应的乳化剂。,第二节 阴离子表面活性剂,2、 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（简称AES）是近15年来发展较快的硫酸酯盐，其通式为RO(CH2CH2O)nSO3M，R是C12C18烃基，通常是C12C14烃基，n=3，M是钠、钾、铵或胺盐。由化学式可以看出，AES与AS不同，其亲水基团是由SO3M和聚氧乙烯醚中的O基两部分组成，因而具有更优越的溶解性和表面活性。 脂肪醇聚氧乙烯醚的硫酸化机理与伯醇硫酸化相似，包括一个亚稳态的中间产物的快速生成过程。,第二节 阴离子表面活性剂,3、 烷基酚聚氧乙烯醚硫酸盐 烷基酚聚氧

15、乙烯醚硫酸盐的分子式是RC6H4(OC2H4)nOSO3M，R是C8C12烃基，通常是壬基，氧乙烯基的聚合度n=4。当n4，则硫酸酯盐的水溶性下降；n4，则硫酸酯盐的抗硬水性增大，但泡沫性开始减弱。烷基酚聚氧乙烯醚硫酸盐的商业产品是30%60%浓度的水溶液。 烷基酚聚氧乙烯醚硫酸盐具有良好的去污、润湿、乳化、发泡性能。由于它的生物降解性能比脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐差，它的用途仅限于工业，可用作纺织工业助剂、聚合反应的乳化剂，以及配制工业清洗剂与机车用的洗涤剂。,第二节 阴离子表面活性剂,三、磺酸盐型阴离子表面活性剂 1、 烷基苯磺酸盐（TPS） 从生产量和消耗量来看，烷基苯磺酸盐仅次于肥皂，在合

16、成表面活性剂中占第一位。早期生产烷基苯磺酸盐是用丙烯齐聚生成四聚丙烯，后者再与苯发生烷基化反应得到支链十二烷基苯，然后再进行磺化、中和而成。这种烷基苯磺酸盐（简称TPS）的结构如下：,第二节 阴离子表面活性剂,2、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES） 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES）采用C12C14的椰油醇为原料，有时也用C12C16醇，与24mol环氧乙烷缩合，再进一步进行硫酸化，中和时与FAS（脂肪醇硫酸盐）相似，可用氢氧化钠、氨或乙醇胺。 现在AES也逐步进入重垢洗涤剂的领域。这是由于在洗衣粉或洗涤精之类的配方中已出现了降低磷酸盐含量的倾向。AES可认为是家用洗涤剂配方中最重要的表面活性剂之一。它很可能会大量与非离子表面活性剂复配后使用。在未来的一段时间内。AES是市场需求增长得最快的一种阴离子表面活性剂。,第二节 阴离子表面活性剂,3、仲烷烃磺酸盐（SAS） 仲烷烃磺