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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除表面活性剂在快速诊断试纸条中的应用1. 表面活性剂概述表面活性剂（surfactant 或amphiphiles）是一种主要的精细化学品，具有优良的润湿、乳化、去污、分散及渗透等特性。1.1 表面活性剂的定义与结构凡是能吸附在溶液的表（界）面上，较低浓度就能极高的降低表（界）面张力的能力和效率的物质就称为表面活性剂。表面活性剂分子结构具有一个共同的特点，即可以分为两部份，一部分是亲水基团，这是表面活性剂的亲水极性部分；另一部分是疏水基团或者亲油基团，这是非极性部分。因此，表面活性剂既可以在极性溶剂（最常用的溶剂是水）中，又可以溶解在非极性的油相中
2、，具有两亲性质，故油被称为两亲分子。表面活性剂的亲水基团种类很多，包括极性基团和离子基团。极性基团如聚氧乙烯基和糖基等，离子基团如羧基、硫酸基、磺酸基、磷酸基和季铵基等。亲油基团主要是长链烷基碳氢链、碳氟链、聚硅氧烷链以及聚氧丙烯等。1.2 表面活性剂的分类表面活性剂的性质主要由亲水基团决定，因此，表面活性剂通常按照亲水基团结构和性质分类，而亲水基团的结构变化多端，所以总体可以分为两大类：溶解与水后能理解成离子的离子表面活性剂和在水中不能溶解的非离子表面活性剂。离子表面活性剂按其所带电荷种类，还可再分为阳离子、阴离子和两性表面活性剂。在非离子表面活性剂中，常见的是聚氧乙烯醚型。在离子表面活性剂
3、中，常见的阳离子表面活性剂有季铵盐类、硫铵盐类、磷铵盐类等，常见的阴离子表面活性剂有长链烷基羧酸盐、长链烷基磺酸盐、长链烷基磷酸盐等，常见两性离子表面活性剂有甜菜碱型、氨基酸型等。1.2 表面活性剂非离子表面活性剂离子表面活性剂阳离子表面活性剂阴离子表面活性剂两性表面活性剂1.3 表面活性剂的作用原理表面活性剂能在极低的浓度下显著降低溶液的表面张力，与其分子结构特点密不可分。它由疏水基团和亲水基团构成，这两部分分处于分子两端，形成不对称结构。因此，这样的分子结构使得表面活性剂一部分与水分子具有很强的亲和力，赋予其分子的水溶性，而另一部分因疏水基团有排斥水分子的性质，使得其分子在水溶液体系中（包
4、括表面和界面）发生定向排列。它们从溶液的内部转移至表面，以疏水基朝向气相（或油相），亲水基插入水中，形成紧密排列的单分子吸附层满足疏水基逃离水包围的要求。这个溶液表面附着表面活性剂分子的过程就是使溶液表面张力急剧下降的过程。因为非极性物质往往具有较低的表面自由能，表面活性剂分子吸附于液体表面，用表面自由能低的分子覆盖了表面自由能高的溶剂分子，因此溶液的表面张力降低。（a）溶液表面表面活性剂分子的定向排列 （b）溶液内部表面活性剂胶束的形成1.3 随着表面活性剂浓度的增加，水表面逐渐被覆盖，当溶液浓度增加到一定值后，水表面全部被活性剂分子占据，达到吸附饱和，表面张力不再继续明显降低，而是维持基本
5、稳定。此时表面活性剂的粘度再增加，其分子会在溶液内部形成胶束，排列成另外一种方式。而这个开始形成胶束的最低浓度就被称为临界胶束浓度度(critical micelle concentration，CMC)。表面活性剂的强弱和临界胶束浓度的大小，与其亲水性密切相关。通常用HLB（hydrophile-lipophile balance）来表示表面活性剂的亲水性，它是亲水基和疏水基之间在大小和力量上的平衡程度的量度。很明显，HLB 值是一个经验相对数值。目前规定，表面活性剂的HLB 值的变化范围为140，HLB 值低说明表面活性剂的亲油性强（油溶性的表面活性剂），HLB 值高说明是水溶性强 （水溶
6、性的表面活性剂）。根据以上标准，可以估计处每一中表面活性剂的HBL 值，以及大致估计其相应的应用。HLB 值与表面活性剂性质之间的关系如表1 所示1,2。表1 HLB 值的范围与适宜的应用HLB 值 应用 HLB 值 在水中分散现象13 消泡作用 14 在水中部分散36 乳化作用（W/O） 36 分散性不好69 润湿作用 68 剧烈振荡后成乳色分散体系715 渗透作用 810 稳定乳色分散体系818 乳化作用（O/W） 1013 半透明到透明分散体系1215 润湿作用 13 透明溶液1315 去污作用1518 增溶作用1.4 1.4 表面活性剂的功能与应用1.4.1 润湿功能1.4.1.1 润
7、湿过程所谓润湿就是当固体与液体接触时，原来的固气和液气表面消失而形成新的固液界面的现象。通常可用液体在固体表面受力平衡时形成的接触角大小来判断润湿与不润湿。把不同液体滴在固体表面可以看到两种情况，一种是液滴很快在固体表面铺展形成新的固液界面，在气、液、固三相交界处的气-液界面与固液界面之间的夹角叫接触角()（如图3）。产生润湿的条件是：SVSL0与SV、SL、LV 的关系可表示为：SVSL LV COS（SV ：气固表面张力，SL：液固表面张力，LV 气液表面张力）可以看出，在润湿的情况下接触角 是小于90的。另一种情况是液滴不在固体表面上铺展，而是在固体表面上缩成一液珠，如同水滴加到疏水塑料
8、大卡表面时看到的现象，这种情况叫不润湿，不润湿时接触角 是大于90的。图3 液滴在平滑表面的润湿与接触角1. 表面活性剂的润湿作用原理表面活性剂的润湿作用具体表现在两个方面（1）在固体表面发生定向吸附表面活性剂以极性基团朝向固体，非极性基团朝向气体吸附于固体表面，形成定向排列的吸附层，使自由能较高的固体表面被碳氢链覆盖而转化为低能表面，达到改变润湿性能的目的。这种吸附通常发生在高能表面。例如云母为硅酸盐矿物，表面自由能较高，水在其上可以铺展。把云母片浸入离子表面活性剂的溶液中，当溶液浓度达到接近临界胶束浓度时，云母片表面变成疏水表面。这是由于表面活性剂的作用，以亲水的极性头吸附于云母的表面上，
9、以疏水的碳氢链伸入水中，以但分子层覆盖了云母的高能表面，使其自由能和水的相容性降低，水不能在其上府展，润湿性变差（如图4a）。但当该离子表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度以后，表面又变得亲水，水可以在其上铺展。这是因为表面活性剂的粘度增大使，活性剂的负离子的碳氢链可以通过疏水基质检的相互作用（分子间力），在云母表面形成双分子吸附层，活性剂的负离子极性头伸入水中，构成亲水表面，能够被水润湿（如图4b）。可见表面活性剂在固体表面的吸附状态是影响固体表面润湿性的重要因素。（a）单分子吸附层 （b）双分子吸附层图4 离子表面活性剂在云母表面的吸附（2）提高液体的润湿能力水在低能固体表面（NC 膜、玻纤、
10、聚酯膜、无纺布等）不能铺展，为改善体系的润湿性质，常在水中胶乳表面活性剂，降低水的表面张力LV， 使其能润湿固体的表面。1.4.1.3 常见润湿剂一种好的润湿剂通常其碳氢链中具有分支结构，且亲水基位于长碳链的中部。润湿剂不仅具有较高的表面活性，还有良好的扩散和渗透性，能迅速地渗入固体颗粒地缝隙间或孔性固体的内表面并发生吸附。目前作为润湿剂的主要是阴离子和非离子表面活性剂。阴离子型润湿剂有磺酸盐型、硫酸盐型、羧酸盐型和磷酸盐型，非离子润湿剂有烷基酚聚氧乙烯醚型、脂肪醇聚氧乙烯型、失水山梨酸聚氧乙烯醚单硬脂酸酯型和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物。通常表面活性剂在润湿方面常应用于矿物的泡沫浮选、金属的防
11、锈与腐蚀、织物的防水防油处理、农药润湿等方面。ii. 乳化作用1.4.2.1 乳化过程乳化作用是指两种不相混溶的液体(如油和水)中的一种以极小的粒子(粒径为101m)均匀地分散到另一种液体中形成乳状液的作用。把油滴分散到水中称为水包油型乳状液(0/W)，水滴分散到油中则称为油包水型乳状液(W/O)。把能起乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。油水图5 乳化剂分子在乳液液滴表面定向吸附示意图（O/W 型乳液）1.4.2.2 表面活性剂的乳化作用原理作乳化剂使用的表面活性剂有两种主要作用。一是降低两种液体间界面张力的稳定作用。因为当油在水中分散成许多微小粒于时，就扩大了它与水的接触面积，因此它和水之间的
12、斥力也随之增加而处于不稳定状态。当加入一些表面活性剂作乳化剂时，乳化剂分子的亲油基端吸附在油滴微粒表面，而亲水基端伸人水中，并在油滴表面定向排列组成层亲水性分子膜，使油水界面张力降低，并且减少油滴之间相互吸引力，防止油滴聚集重新恢复水油两层的原状，二是保护作用。表面活性剂在油滴周围形成的定向排列亲水分子膜又是层坚固的保护膜，能防止油滴碰撞时相互聚集。如果是由离子型表面活性剂形成的定向排列分子膜还会使油滴带有电荷，油滴带上同种电荷后斥力增加，也可防止油滴在频繁碰撞中发生聚集。1.4.2.3 乳化剂乳化剂在乳液的形成和稳定中起着十分重要的作用，乳化剂种类很多，主要 分为表面活性剂、高分子化合物、天
13、然化合物和固体粉末四大种。其中表面活性剂类如画机主要失阴离子型和非离子型表面活性剂， 阴离子型润湿剂有羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸盐型和磷酸盐型，非离子乳化剂有聚醚型和Span、 Tween 等聚酯型表面活性剂。1.4.3 悬浮分散作用1.4.3.1 悬浮分散过程把固体微粒均匀、稳定地分散到液体介质中，形成悬浮体的作用叫分散作用。表面活性剂有促进固体分散形成稳定悬浊液的作用，所以添加的表面活性剂又叫分散剂。分散剂的作用原理与乳化剂基本相同，不同之点在于被分散的固体颗粒比被乳化的液滴的稳定性一般稍差些。图6 为表面活性剂在固体微粒离子分散过程中的稳定作用的分散。图 6 表面活性剂在离子分散过程中的稳
14、定作用（静电斥力作用）1.4.3.2 表面活性剂的悬浮分散原理固体颗粒在外力的作用下，分散于液体介质中，得到一个均匀的分散体系。但是若分散的固体微粒聚集成聚集体，该分散体系就不稳定。导致不稳定性的主要原因有两方面：一是受重力影响粒子会发生沉积，多数情况下分散相粒子较小，布朗运动可在一定程度上阻止粒子下沉。但一经碰撞仍会使其聚集；另一方面由于具有较大的相界面和界面能，固体颗粒总会有自动相互聚集、较少界面的趋势，即热力学不稳定性。表面活性剂在固体颗粒表面的吸附，能够增加纺织微粒重新聚积的能障，降低粒子聚积的倾向，提高分散体系的稳定性。在水介质中，表面活性剂主要通过范德华力以疏水基吸附于粒子表面，而
15、以亲水基如离子基、聚氧乙烯链伸向水介质，以静电斥力使分散体系稳定（图6）。在有机介质中，表面活性剂则以极性德亲水基团与粒子通过氢键。离子建等结合，而非极性碳链伸向介质中，其分散作用主要使靠空间位租产生斥力来实现的。1.4.3.3 悬浮分散剂对固体粒子其分散作用的分散剂主要有阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和有机胺类阳离子表面活性剂。也有采用高分子表面活性剂，以获得更大的空间稳定效应。在应用过程中，必须针对不同的分散体系的特点，选择适当的分散剂。1.4.3 增溶作用1.4.3.1 表面活性剂的增溶过程及原理增溶作用指表面活性剂有增加难溶性或不溶性物质在水中的溶解度的作用。例如苯在水中的溶解度仅为体积分数0.09%，如果在水中加入少量表面活性剂(油酸钠)，即可使它的溶解度增加为体积分数10%，而且溶液透明好像真溶液。增溶作用的发生与表面活性剂在水中形成胶束分不开，胶束内部实际上是液态的碳氢化合物，因此苯、矿物油等不溶于水的非极性有机溶质较易溶解在胶束内部的碳氢化合物中。增溶现象是胶束对亲油物质的溶解过程，是表面活性剂胶束的一种特殊作用。增溶具有以下特点：（1）增溶是一个自发过程，该作用发生后，体系更加稳定。其实质是增溶物进入了胶束，而不同于在溶
