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1、第八章 表面活性剂的洗涤作用表面活性剂的洗涤作用是表面活性剂具有最大实际用途的基本特性。它涉及到干家万户的日常生活。并且在各行各业和各种工业生产中也得到越来越多地应用。洗涤作用可以这样来描述：将浸在某种介质(一般为水)中的固体表面的污垢去除的过程称为洗涤。在洗涤过程中，加入洗涤剂以减弱污垢与固体表面的粘附作用并施以机械力搅动，借助于介质(水)的冲力将污垢与固体表面分离而悬浮于介质中，最后将污垢冲洗干净。第一节洗涤作用简介一、污垢 1油性污垢(油污) 纤维织物的主要污垢成分是油性污垢，它们大都是油溶性的液体或半固体，其中包括动植物油脂、脂肪酸、脂肪醇、胆固醇和矿物油(如原油，燃料油，煤焦油等)及
2、其氧化物等。其中动植物油脂、脂肪酸类与碱作用经皂化溶于水。而脂肪醇、胆固醇、矿物油则不为碱所皂化，它们的疏水基与纤维表面有较强的范德华相吸力，可牢固地吸附在纤维上而不溶于水，但能溶于某些醚、醇和烃类有机溶剂，并被洗涤剂水溶液乳化和分散。2固体污垢 固体污垢包括：煤烟、灰尘、泥土、沙、水泥、皮屑、石灰和铁锈。液体污垢和固体污垢经常混合在一起形成混合污垢，往往是油污包住固体微粒，其粒径一般在1020m，粘附于物品表面。此种混合污垢与物品表面粘附的本质，基本上与液体油类污垢的情形相似。液体污垢和固体污垢在物理性质和化学性质上存在较大差异，所以二者自表面上去除的机理也不相同。除此以外一些污垢被称为特殊
3、污垢如：砂糖、淀粉、食盐、食物碎屑及人体分泌物(汗、尿、血液、蛋白质、无机盐)等在常温下它们能被渗透而溶于纤维中，其中有的能通过化学吸附，牢固地吸附在纤维上，难以脱落。二、污垢的粘附 污垢在被洗涤物品表面上的粘附大致有以下4种。1机械粘附 机械粘附主要指的是固体尘土粘附的现象2分子间力粘附 被洗涤物品和污垢以分子间范德华力(包括氢键)结合3静电力粘附在水介质中，静电引力一般要弱得多。但在有些特殊条件下污垢也可通过静电引力而粘附。4化学结合力 污垢通过化学吸附产生的化学结合力与固体表面的粘附，例如金属表面的锈蚀就是通过化学键粘附于金属表面2.2 污垢的去除 一、洗涤过程 在洗涤过程中，洗涤剂是不
4、可缺少的。洗涤剂在洗涤过程中具有以下作用，一是除去固体表面的污垢，另一种作用是使已经从固体表面脱离下来的圬垢能很好的分散和悬浮在洗涤介质中，使其不再沉积在固体表面。洗涤的过程可以表示为：固体表面污垢+洗涤剂+介质固体表面洗涤剂介质+污垢洗涤剂介质在洗涤过程中，洗涤效率取决于以下因素，固体与污垢的粘附强度，固体表面与洗涤剂的粘附强度以及洗涤剂与污垢间的粘附强度。固体表面与洗涤剂间的粘附作用强，有利于污垢从固体表面的去除，而洗涤剂与污垢的粘附作用强，有利于阻止污垢的再沉积。此外，不同性质的表面与不同性质的污垢之间有不同性质的结合力。因此三者间有不同的粘附强度。在水介质中，非极性污垢由于其疏水性不易
5、被水洗净。在非极性表面的非极性污垢，由于可通过范德华力吸附于非极性物品表面上，三者间有较高的粘附强度，因此比在亲水的物品表面难于去除。极性的污垢在疏水的非极性表面上比在极性强的亲水表面上容易去除。二、洗涤剂的洗涤作用 洗涤剂在洗涤过程中的主要作用如下。 1降低水的表面张力改善水对洗涤物表面的润湿性 洗涤液对洗涤物品的润湿是洗涤过程是否可以完成的先决条件，洗涤液对洗涤物品必须具备较好润湿性，否则洗涤液的洗涤作用不易发挥。对于人造纤维(如聚丙烯、聚酯、聚丙烯腈等)，未经脱脂的天然纤维等因其具有的临界表面张力低于水的表面张力，因而水在其上的润湿性都不能达到令人满意的程度，加入了洗涤剂后一般都能使水的
6、表面张力降至30mNm1以下。因此除聚四氟乙烯外，洗涤剂的水溶液在其物品的表面都会有很好的润湿性，促使污垢脱离其物品表面，而产生洗涤效果。2洗涤剂能增强污垢的分散和悬浮能力洗涤剂具有乳化能力能将从物品表面脱落下来的液体油污乳化成小油滴而分散悬浮于水中，若是阴离子型洗涤剂还能使油水界面带电而阻止油珠的并聚增加其在水中的稳定性，对于已进入水相中的固体污垢也可使固体污垢表面带电，会因污垢表面存在同种电荷当其靠近时产生静电斥力而提高了固体污垢在水中的分散稳定性。对于非离子型洗涤剂可以通过较长的水化聚氧乙烯链产生空间位阻来使得油污和固体污垢分散稳定于水中。因此洗涤剂可起到阻止污垢再沉积于物品表面的作用。
7、三、液体油污的去除 液体油污的去除是通过油污的卷缩机理而实现的。在洗涤之前油污一般以铺展状态存在于物品表面。此时，在固(S)、液(L)、气(G)三相界面上油污的接触角近于00。将物品置于洗涤液后，油污由处于固、油、气三相界面上变为处于固、油、水三相的界面上，其界面张力由原来的G、 和 ，变为 (固水) (固油)和 (油水)于是在洗涤剂的作用下，三个张力发生变化，开始对铺展的油污进行“卷缩”。卷缩同时发生在固、油、水三相界面上无论油污通过何种机理“卷缩”被去除，但去除的程度均决定于接触角的大小。当洗涤液在固体表面的接触角 w 0 O 即油在固体表面的接触角o 180 O时，油污可以自发地脱离固体
8、表面，若 90 o时，洗涤剂就可渗入固体污垢P和固体表面S的固固界面中的微缝隙中. 若洗涤液在固体表面和固体污垢表面上的接触角均等零时，洗涤液就能在其固固界面上铺展形成一层水膜，使固体污垢脱离固体表面进入洗涤液中。2表面活性剂在固体污垢去除中的作用当溶有表面活性剂的洗涤液渗入微缝隙后，表面活性剂将以疏水基分别吸附于固体和固体污垢的表面上，其亲水基伸入洗涤液中，形成单分子吸附膜如图86所示。把固体和污垢的表面变成亲水性强的表面，与洗涤液有很好的相容性从而使SL和 PL大幅度降低，导致铺展系数SLPsO ，使得洗涤液铺展于固体污垢和固体表面间的固固界面上，形成固体表面与洗涤液和固体污垢与洗涤液间的
9、双固液界面。第三节 影响表面活性剂洗涤作用的因素 由于洗涤体系的复杂性，影响洗涤效果的因素也是多种多样，在这里主要讨论与表面活性剂有关的一些因素。 一、表(界)面张力大多数性能优良的表面活性剂均具有明显降低水体系表(界)面张力的能力。这是因为，表面活性剂的低的表面张力，有利于洗涤液产生润湿作用。在液体污垢去除的“卷缩”过程中，表面活性剂能将ow和sw降得越低，油污就会被“卷缩”得越完全，油污就被去除得越干净。在固体污垢的去除过程中，表面活性剂洗涤液的表面张力越低，洗涤液就越能更好的渗入固体污垢与固体的固固界面中，就越有利于洗涤液在（SP ）固固界面的铺展，使固体污垢得已完全除去。此外，洗涤液具
10、有较低的表面张力有利于液体油污的乳化悬浮，防止油污的再沉积。所以说表面活性剂降低表(界)面张力的能力是影响洗涤作用的关键因素。二、表面活性剂在界面上的吸附状态表面活性剂在界面上的吸附是洗涤的最基本原因，没有吸附存在就不会降低表面张力，就不会有表面活性剂的洗涤功能。表面活性剂在固液界面的吸附态不仅与表面活性剂的类型有关而且与固体粒子的电性质有关阴离子型表面活性剂 阴离子表面活性剂在界面上的吸附状态，主要取决于固体表面的电性质。在水介质中，一般固体质点表面带负电，由于电性斥力不利于阴离子表面活性剂的吸附。若质点的非极性较强，则可通过质点与表面活性剂碳氢链间的范德华引力克服电斥力，从而以疏水链吸附于
11、固体表面，离子头伸入水中的吸附态吸附于固液界面上。例如炭黑这一类非极性物在水中易于吸附水中的负离子而使其带负电荷，但在加入C14H29SO4Na后，因为C14H29SO4Na的疏水基与炭黑之间的范德华相吸力很强，能抵抗来自同号电荷的电斥力而使阴离子表面活性剂以疏水基吸附于炭黑表面而亲水的离子包围在炭黑的外面，伸入水中，使炭黑表面具有很好的亲水性，有利于炭黑粒子在洗涤液中的分散稳定，阻上了炭黑再沉积于固体表面，因此提高了洗涤效率若固体粒子表面带正电荷如BaSO4，粒子从水中吸附了Ba 2+后表面带正电荷。如果用阴离子型表面活性剂C14H29S04Na作洗涤剂时，随着C14H29S04Na 浓度从
12、低到高， C14H29S04Na在BaS04粒子表面吸附状态会发生变化。阳离子表面活性剂一般不能作为洗涤剂：例如，炭黑在水中由于吸附负离子使表面带负电荷，在加入了C14H29N(CH3)3C1阳离子后， C14H29N(CH3)3C1以带正电荷的季铵离子头吸附于炭黑带负电荷的表面上，而疏水基包围在炭黑的外面，使炭黑的表面变为疏水，而难以洗脱。但是，随季铵离子浓度的增加，季铵离子以疏水基与第一层吸附的季铵离子的疏水基通过范德华力相吸形成第二层，季铵离子伸入水相的双分子吸附膜使炭黑表面由于带有正电荷而又重新开始分散并稳定于洗涤液中，产生洗涤效果。但这会耗费大量价格昂贵的阳离子表面活剂。非离子表面活
13、性剂因其自身不带电，因此在固液界面上的吸附状态基本上不受固体表面的电性影响，如在含有炭黑的水中加入非离子表面活性剂C14H29O(CH2CHO)9H随非离子表面活性剂浓度的增加炭黑的表面能几乎不变。但体系的稳定性大大增加。这是因为非离子表面活性剂在炭黑表面的吸附是以疏水链吸附于炭黑表面而亲水的聚氧乙烯链伸入水中形成一层有一定厚度的水化膜，将炭黑粒子包裹起来，使原来疏水的表面很亲水。且防止炭黑粒子相互靠近增加了炭黑的分散稳定性，不易再沉积于固体表面非离子表面活性剂在非极性纤维上的吸附，是通过碳氢链与碳氢链间的疏水吸附而实现的。非离子表面活性剂在亲水性强的棉纤维上的吸附是通过聚氧乙烯链中的醚键氧原子与棉纤维表面的羟基形成氢键，而吸附于棉纤维表面的。因此在纤维水界面上是以亲水的聚氧乙烯链吸附于棉纤维的表面，而疏水链朝向水中，使得原来亲水的纤维素表面变得疏水。因此非离子表面活性剂不宜用于洗涤天然棉纤维。两性离子表面活性剂因其分子结构中既含有阳离子基团也含有阴离子基团，所以无论污垢固体的表面带何种电荷它都能吸附于其表面上，而不会产生聚沉现象。而使表面更加亲水，有利于污垢在水中的分散与悬浮，不易再沉积，提高了洗涤效率。两性离子表
