《表面活性剂原理及应用课程设计表面活性剂的作用、性能和聚集体结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面活性剂原理及应用课程设计表面活性剂的作用、性能和聚集体结构（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、表面活性剂的作用、性能和聚集体结构 学院 、专业化学化工学院 化学工程与工艺课 程 名 称 表面活性剂原理及应用 学 生 姓 名 学 号 2010年 11月 24日摘要1重点介绍了影响表面活性剂降低油水界面张力的因素,包括水相、油相、表面活性剂及使用条件。动态界面张力曲线类型与表面活性剂吸附特性的关系界面张力是表面活性剂在油水界面吸附的表现,吸附状态的改变直接导致界面张力的变化。分别介绍了液固界面的吸附和溶液界面的吸附，在溶液界面的吸附中阐述了吸附层的结构和温度对吸附量的影响。2测定了表面活性剂的动表面张力在叶面上的吸附速度和接触角,据此分析了它们在叶面上的润湿作用。结果表明,表面活性剂分子碳
2、氢链越短,在界面上的吸附速度越快,接触角越大,在植物叶面上的润湿性能越好。其中,SFE在界面上的吸附速度最慢,在植物叶面的润湿作用最差;OP-10吸附速度最快,润湿性能最好。利用测定动表面张力及其变化的方法,基本上可以反映表面活性剂水溶液对植物叶面的润湿性能的变化。同时也介绍了起泡作用、增溶作用、乳化作用和洗涤作用以及其原理和在领域上的应用。3表面活性剂溶液性质和各种聚集体结构,其中包括胶束、囊泡等。介绍了胶束的分类、胶束的形成条件当表面活性剂在水溶液中的浓度超过cmc时,表面活性剂分子将在溶液内部发生聚集,形成疏水基团朝内,亲水基团朝向水相,即O/W型聚集体。这时界面能降到最低,这种聚集体称
3、为胶束。介绍了囊泡的结构、形状与大小，囊泡的形成以及囊泡的应用。介绍了三种液晶及其组成和性质。介绍了临界胶束浓度、胶束聚集数以及胶束聚集数的影响因素。（关键词：表面活性剂；界面张力；润湿作用；接触角；胶束；囊泡；起泡；增溶；乳化；洗涤；液晶；临界胶束浓度）表面活性剂的作用、性能和聚集体结构表面活性剂是指在很低的浓度下就能大大降低溶剂(一般为水)表面张力，改变体系的表面状态，从而具有一系列性质和作用。表面活性剂分子的结构是由两种不同极性的基团组成，一为亲水基团，另一为亲油基团，又称为憎水基团或疏水基团。按其结构的不同表面活性剂可分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂，其中离子型表面活性剂又分为
4、阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和两性型表面活性剂。下面简单的从以下几个方面对表面活性剂的作用、性能以及聚集体结构予以简单的介绍。一、表面活性剂在液液界面和固液界面的吸附作用1、 表面活性剂在液液界面的吸附水溶液中的表面活性剂分子由于其疏水作用，能自发的从溶液内部迁移至表面，采取亲水基伸向水中，疏水基伸向空气的排列状态。这种由水内部迁移至表面，在表面富集的过程叫做吸附。吸附是一种界面现象，它可在各种界面上发生，其中以固气、固液、气液和液液界面上的吸附应用最多。液液界面吸附油水界面吸附：在油水两相体系中，当表面活性剂分子处于界面上，将亲油基插入油中、亲水基留在水分时的分子势能最低。表面活性
5、剂在界面上的浓度将高于在油相或在水相中的浓度。因此，像在液体表面一样，表面活性剂也在使界面张力降低的同时在液液界面上吸附。应用Gibbs吸附公式自界面张力曲线得到界面吸附量是研究液液界面吸附的通用方法。a液液的表面张力当两种不相混溶的液体接触时即形成界面。界面上的分子受到来自本相中个另一相中分子的引力作用，因而产生力的不平衡并从而决定液液界面易于存在的方式。液液界面张力的大小一般总是介于形成界面的二纯液体表面张力之间。下表为有机液体与水界面张力的实验值。b影响油水界面张力的因素影响油水动态界面张力曲线类型的因素主要是影响表面活性剂迁移、吸附的因素。主要因素有水相、油相、表面活性剂及使用条件。其
6、中影响水相的因素有矿化度、粘度和pH值。影响表面活性剂的因素有分子结构、亲水亲油性和浓度。现将不同因素度油水界面的表面张力的影响结果列于下表中：因素水相表面活性剂油相使用条件矿化度粘度pH值分子结构亲水亲油值浓度表面张力随着矿化度升高界面张力降低,矿化度增加到一定程度后,界面张力达到最低值; 矿化度再继续升高界面张力升高水相黏度越高界面张力降低碱性越强与原油中酸性物质形成的活性物质越多, 越能降低界面张力。表面活性剂的分子越小油水界面张力越低亲水性太强则不利于在界面处吸附; 亲油性太强则在油相中的溶解量大表面活性剂浓度越高,界面张力越低当表面活性剂水溶液具备碱性时, 可油中酸性物质反应形成活性
7、物质而降低界面张力。原油中的胶质、沥青质有利于降低油水界面张力温度的升高界面张力升高c动态界面张力曲线类型与表面活性剂吸附特性的关系界面张力是表面活性剂在油水界面吸附的表现,吸附状态的改变直接导致界面张力的变化。图1为表面活性剂在水相界面和油相界面的吸附、解吸过程示意图。从动态界面张力曲线的形状可以了解表面活性剂的吸附、解吸过程。2、表面活性剂在固液界面的吸附许多生产工艺中,需要固体微粒均匀且稳定地分散于液相介质中,例如,油漆、药物,染料,颜料、化妆品的制备等。近年来,在油田开发过程中使用固体微粒均匀地分散在水介质中显得尤为重要,甚至可以认为是能否使工艺成功的关键所在。而在另一些工艺中则恰恰相
8、反,需要使均匀稳定的分散体系迅速破坏,使固体粒子尽快地沉降、聚集。如湿法冶金、污水处理、原水澄清等。无论是固体粒子的分散还是絮凝或聚集,都是现代工业中必不可少的有效手段。而这种手段往往是通过添加表面活性剂来实现的。因而,深入了解表面活性剂对固体在液相介质中分散与凝聚作用的影响,对于有效地控制分散体系的稳定性具有重要意义。固体在液体中分散时，表面活性剂在对其分散过程中的作用固体在液体中的分散分为三个阶段(1)液体润湿固体粒子,(2)使粒子簇转化为碎片,(3)防止已分散的粒子重新聚集。要使液体润湿固体,必须控制液体在固体表面上的铺展系数大于零。添加表面活性剂降低固液和液气两界面张力，使接触角为0度
9、,即可达此目的。一旦液体润湿粒子,则粒子簇逐渐分散。表面活性剂的存在有利于粒子簇分散,因为表面活性剂分子吸附于固体粒子的微小裂缝上,可以减少固体断裂的机械能,且降低其自愈合能力。若吸附的是离子型表面活性剂,同种电荷之间的静电斥力,还能导致粒子间排斥能增大,更有利于分散作用。而且,吸附了表面活性剂的粒子,其表面自由能降低,则体系的热力学不稳定性降低。在水介质中,表面活性剂分子的亲水基团朝向水相,产生空间势垒,可进一步减小粒子聚集的倾向,因而可防止已分散的粒子的重新聚集。3、表面活性剂在溶液界面的吸附TX100在羊毛/溶液界面的吸附TX100在固/液界面吸附的研究已有很多报道,诸如TX100在不同
10、孔隙大小硅胶上吸附等温线的形状,加入烷基硫酸钠后对TX100吸附量的影响,以及铬天青在表面活性剂癸基甲基亚砜、TX05、TX100吸附层中的表面加溶等研究,为表面活性剂加溶在污水处理、环境保护等领域的应用提供了实验和理论依据。TX100属非离子表面活性剂,增溶作用较离子型表面活性剂强。TX100是一种性能优良的缓染剂,研究开发复配有TX100的印染助剂是非常有意义的。不过,由于TX100生物降解性差,应用此类助剂要注意纺织品对环保性的要求。因为纤维染色是一种多种分子体系的吸附和拆散自组合过程,是纤维、染料和表面活性剂为主的多元体系的相互作用。所以,TX100在羊毛/溶液界面吸附的理论研究将为羊
11、毛及其织物的印染体系的工艺研究奠定理论基础。西安工程大学的研究者采用超纯TX100,不含脂肪、酯类、有机酸等杂质的纯毛纤维,研究TX100在纤维上于不同温度下的吸附与脱附等温线,并预示了吸附过程中的吸附质分子的吸附状态,以便为TX100在羊毛染色加工中的开发应用和其染色机理研究提供理论依据。实验过程中以TritonX100(C8H7C6H4 (OCH2CH2)10OH、无水乙醇和羊毛为材料和试剂。实验结果显示：a、羊毛/溶液界面的吸附与脱附25摄氏度和35摄氏度时,TX100在羊毛/溶液界面的吸附与脱附等温线如图所示,同一温度下的吸附与脱附等温线不重叠。其原因是多方面的,主要是在相同吸附量时,
12、助剂在羊毛上的吸附位置不同,属多吸附点或多吸附层不均匀吸附。这表明TX100与纤维表面的较强的吸附亲合作用,也是TX100在羊毛染色体系中广泛使用的理论依据之一。b、TX100在羊毛/溶液界面的吸附层结构25摄氏度和35摄氏度时,TX100在羊毛/溶液界面的吸附等温线均呈S型,有明显的平台,这与TX100在硅胶表面上吸附的等温线类似,说明TX100在羊毛/溶液界面为多层吸附。由吸附等温线,可将TX100在羊毛/溶液界面的吸附分为5个阶段,这与表面活性剂在固/液界面吸附的5个阶段一致。吸附的第1阶段,TX100的浓度小,分子间距远,其相互作用可忽略,吸附分子无规则地平躺于界面。此阶段羊毛与表面活
13、性剂间的主要作用力是范德华力,还有氢键和疏水作用力。在第2阶段,羊毛表面被TX100分子基本铺满而近于平台,吸附等温线出现转折。在第3阶段,吸附量随TX100浓度增大而增大,吸附分子状态发生变化。TX100的疏水基平躺于界面,极性端翘起在水相中。当浓度达到CMC时,平台结束,等温线急剧上升,体相溶液开始有大量胶团形成,在界面上吸附进入第4阶段。此阶段,在界面上形成吸附胶团。c、温度对TX100在羊毛/溶液界面吸附量的影响由图可以看出,25摄氏度与35摄氏度的吸附等温线在低浓度基本重合,高浓度时35摄氏度时的吸附量稍稍大于25摄氏度时的吸附量,这与非离子表面活性剂在固液界面上的吸附量随温度升高而
14、升高的规律相一致。但中等浓度时,25摄氏度时的吸附量与35摄氏度时的吸附量交替上升:在吸附的第2阶段,25摄氏度时的吸附量小于35摄氏度时的吸附量,第3阶则是25摄氏度时的吸附量大于35摄氏度时的吸附量。吸附等温线平台上,TX100吸附量在25摄氏度时为70微摩每克,35摄氏度时为60微摩每克。温度的升高一方面降低了TX100在水中的溶解度,对吸附过程起着推动作用；另一方面,温度的升高对放热的吸附过程又起着阻碍作用。总的来说,温度升高对TX100在羊毛表面吸附的影响应是这两种相反作用的综合结果。而在吸附的2,3阶段出现温度升高对吸附量影响不同的现象,正是这两种相反作用程度不同的具体表现。在第4
15、阶段,由于吸附量的增加主要来自吸附胶团的形成,温度的升高使TX100在水中的溶解度降低,临界胶束浓度随之降低,有利于胶团的大量形成,所以35摄氏度的吸附量急剧增加并很快达到了25摄氏度时的吸附量。二、表面活性剂有序的聚集体表面活性剂在水溶液中形成的各种有序聚集体表面活性剂具有生成分子有序聚集体的能力。当溶液达到一定浓度时, 表面活性剂达到饱和吸附，即溶液表面被一层定向排列的表面活性剂分子完全覆盖。此时,即使再增加浓度,表面上也不能再容纳更多的分子,表面浓度达最大值。若继续增大体系的浓度,表面活性剂分子将在溶液内部由于疏水作用发生自聚集,形成各种各样的聚集体,此时表面活性剂在溶液中的浓度称为临界聚集浓度,即CAC(Cri-ticalAggregationConcentratio
