表面活性剂概述及表面活性剂作用原理.ppt

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1、2023/2/232023/2/231 1第一章第一章 表面活性剂概述表面活性剂概述2023/2/232 冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了洗涤剂我冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了洗涤剂我们的生活才能如此美好。若没有表面活性剂，们的生活才能如此美好。若没有表面活性剂，这两样东西都不会有。这真是太可悲了。这两样东西都不会有。这真是太可悲了。但是，如果真的没有了表面活性剂，也不会有但是，如果真的没有了表面活性剂，也不会有人为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有表人为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有表面活性剂，人也没有了。面活性剂，人也没有了。英国著名界面化学家英国著名界面化学家Ckint2023/2/2

2、332023/2/2342023/2/2352023/2/2362023/2/2372023/2/2382023/2/2392023/2/23102023/2/23112023/2/2312指甲油指甲油2023/2/2313香香 水水2023/2/23141 消毒杀菌消毒杀菌2 腈纶匀染剂腈纶匀染剂3 抗静电剂抗静电剂4 矿物浮选剂矿物浮选剂5 相转移催化剂相转移催化剂6 织物柔软剂织物柔软剂食品加工食品加工印染印染金属加工金属加工电镀电镀采矿采矿采油采油2023/2/2315表面活性剂表面活性剂一词来自英文一词来自英文Surfactant。它实际上是短语它实际上是短语Surface（表面）（

3、表面）Active（活性）（活性）Agent（添加剂）的缩合词。（添加剂）的缩合词。它还有一个名字叫做它还有一个名字叫做Tenside。表面活性剂表面活性剂是这样一种物质，它活跃于是这样一种物质，它活跃于表面表面和和界面界面上，具有上，具有极高极高的降低表、界面张力的能力和效率。的降低表、界面张力的能力和效率。在一定浓度以上的溶液中形成分子在一定浓度以上的溶液中形成分子有序组合体有序组合体，从，从而具有一系列应用功能。而具有一系列应用功能。2023/2/2316 降降低低表表面面张张力力为为正正吸吸附附，溶溶质质在在溶溶液液表面的浓度大于其在溶液本体中的浓度表面的浓度大于其在溶液本体中的浓度

4、此溶质为此溶质为表面活性物质表面活性物质 增增加加表表面面张张力力为为负负吸吸附附，溶溶质质在在溶溶液液表面的浓度小于其在溶液本体中的浓度表面的浓度小于其在溶液本体中的浓度 此溶质为此溶质为表面惰性物质表面惰性物质 溶溶入入少少量量就就能能显显著著降降低低表表面面张张力力的的物物质也称质也称表面活性物质表面活性物质或或表面活性剂。表面活性剂。2023/2/23172023/2/2318(a)(b)2023/2/23191.1 表面活性剂分类表面活性剂分类n n表面活性剂分子表面活性剂分子表面活性剂分子表面活性剂分子 非极性烃链（疏水）非极性烃链（疏水）极性基团（亲水）极性基团（亲水）H2CH2

5、CH2CH2CH2CH2CH2CH2COHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO硬脂酸硬脂酸2023/2/2320阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂1.1.1 按离子类型按离子类型2023/2/2321阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH32023/2/2322两性表面活性剂R-N+HCH2-CH2COO-H 氨基酸型 CH3|R-N

6、+-CH2COO-H 甜菜碱型|CH32023/2/2323R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚2023/2/23241.1.2 按亲水基的结构分类按亲水基的结构分类极性基团：极性基团：羧酸、磺酸、硫酸、磷酸酯盐、羧酸、磺酸、硫酸、磷酸酯盐、氨基或胺基及其盐（伯、仲、叔、季）氨基或胺基及其盐（伯、仲、叔、季）鎓盐型（磷、砷、硫、碘化合物）鎓盐型（磷、砷、硫、碘化合物）羟基、酰胺基、醚键等羟基

7、、酰胺基、醚键等。2023/2/23251.1.3 按疏水基的种类分类按疏水基的种类分类1.直链烷基直链烷基2.支链烷基支链烷基3.烷基苯基烷基苯基4.烷基萘基烷基萘基通常为烃基构成通常为烃基构成5.松香衍生物松香衍生物6.高分子质量聚氧丙烷基高分子质量聚氧丙烷基7.长链全氟长链全氟(或高氟代或高氟代)烷基烷基8.聚硅氧烷基聚硅氧烷基2023/2/2326硅表面活性剂硅表面活性剂氟表面活性剂氟表面活性剂 1.1.4 按表面活性剂的特殊性分类按表面活性剂的特殊性分类元素表面活性剂元素表面活性剂是指碳氧链上的是指碳氧链上的氢（碳）原子被其它元素所代替，氢（碳）原子被其它元素所代替，而显现出与普通表

8、面活性剂不同而显现出与普通表面活性剂不同的性能的性能元素表面活性剂元素表面活性剂2023/2/2327高分子表面活性剂高分子表面活性剂3.合成高分子表面活性剂合成高分子表面活性剂聚乙烯醇、聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺聚乙烯醇、聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺2.部分合成高分子表面活性剂部分合成高分子表面活性剂羧甲基纤维素、羧甲基淀粉羧甲基纤维素、羧甲基淀粉1.天然高分子表面活性剂天然高分子表面活性剂阿拉伯树胶、皂、蛋白质（大豆蛋白、牛乳）阿拉伯树胶、皂、蛋白质（大豆蛋白、牛乳）2023/2/2328生物表面活性剂生物表面活性剂1.糖脂系糖脂系 鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂 2.酰基缩氨

9、酸系酰基缩氨酸系 硫放线菌素、脂缩氨酸。硫放线菌素、脂缩氨酸。由酵母、细菌作用于培养液。生成有由酵母、细菌作用于培养液。生成有特殊结构的表面活性剂特殊结构的表面活性剂2023/2/2329冠醚型表面活性剂冠醚型表面活性剂冠醚能与金属多价离子络合作，用作冠醚能与金属多价离子络合作，用作相转移催化剂、萃取剂等相转移催化剂、萃取剂等 2023/2/23301.1.5 其他分类方法其他分类方法 广泛应用于洗涤、医药、石油、食品、农广泛应用于洗涤、医药、石油、食品、农业等各个领域。业等各个领域。水溶性的水溶性的油溶性的油溶性的低分子量的低分子量的高分子量的高分子量的 表面活性剂具有润湿、分散、乳化、增溶

10、、表面活性剂具有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡、保湿、润滑、洗涤、渗透、杀菌、起泡、消泡、保湿、润滑、洗涤、渗透、杀菌、防腐等功能，防腐等功能，2023/2/23311.2 表面活性剂的国内外发展表面活性剂的国内外发展1表面活性剂要易于生物降解，原料可再生，广泛使用后，表面活性剂要易于生物降解，原料可再生，广泛使用后，对环境无污染，对人、畜安全温和。对环境无污染，对人、畜安全温和。2表面活性剂要高效、多功能，除有清洁作用外，还要表面活性剂要高效、多功能，除有清洁作用外，还要 有抑菌、杀菌、滋润皮肤等作用，并应不断开发新用途。有抑菌、杀菌、滋润皮肤等作用，并应不断开发新用途。3耐硬水、低温洗

11、涤效果好，浓缩的表面活性剂洗涤用品耐硬水、低温洗涤效果好，浓缩的表面活性剂洗涤用品 是一个发展方向，这包括浓缩洗衣粉和浓缩液体洗涤剂。是一个发展方向，这包括浓缩洗衣粉和浓缩液体洗涤剂。2023/2/232023/2/233232表面活性剂的作用原理表面活性剂的作用原理第二章第二章 2023/2/23332.1 表面张力与表面活性表面张力与表面活性当任意两相接触时当任意两相接触时,两相之间决非是一个没有厚两相之间决非是一个没有厚度的纯几何面度的纯几何面,而是一个具有相当厚度的过渡区而是一个具有相当厚度的过渡区,这一过渡区通常称之为这一过渡区通常称之为界面界面。若其中一相为气体，这种界面通常称为若

12、其中一相为气体，这种界面通常称为表面表面。但由于历史的原因但由于历史的原因,这两个概念常常混用。这两个概念常常混用。常见的界面有：常见的界面有：气气-液液界面，界面，气气-固固界面，界面，液液-液液界面，界面，液液-固固界面，界面，固固-固固界面。界面。2023/2/2334气气-液界面液界面2023/2/2335气气-固界面固界面2023/2/2336液液-液界面液界面2023/2/2337液液-固界面固界面2023/2/2338固-固界面2023/2/23392.1.1 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能402023/2/23（a）（b）412023/2/23如果在活动边框上挂一重物

13、，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时 l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。422023/2/23 由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间的作用力，对系统做功。温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对系统作的功，称为表面功。用公式表示为：把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用用 表示表示，单位是单位是N/m。也是增加单位表面积

14、时也是增加单位表面积时所必须对系统做的功，单位所必须对系统做的功，单位J/m22023/2/2343表面张力的测定表面张力的测定1.滴重法滴重法W=2Rf=W/2Rf2023/2/2344滴落的高速摄影示意图滴落的高速摄影示意图那为什么有个系数呢？那为什么有个系数呢？2023/2/23452.毛细管上升法毛细管上升法r 毛细管半径毛细管半径界面两相的密度差界面两相的密度差g 重力加速度重力加速度h 高度差高度差2023/2/23463.环法环法4.吊片法吊片法5.最大汽泡压力法最大汽泡压力法6.滴外形法滴外形法2023/2/2347浓度浓度122.1.2 表面活性和表面活性剂表面活性和表面活性

15、剂 具有第三类曲线的物质具有第三类曲线的物质才叫才叫表面活性剂表面活性剂。特劳贝规则特劳贝规则32023/2/23482.1.3 表面活性剂的结构特点表面活性剂的结构特点492023/2/23502023/2/232.2 表面活性剂胶束表面活性剂胶束2.2.1 胶束的形成胶束的形成512023/2/23胶束结构示意图胶束结构示意图2023/2/23522.2.2 临界胶束浓度临界胶束浓度 CMC Critical Micell Concentration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

16、成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束界胶束浓度度。532023/2/23 这时溶液性溶液性质与理与理想性想性质发生偏离，在生偏离，在表面表面张力力对浓度度绘制制的曲的曲线上会出上会出现转折。折。继续增加活性增加活性剂浓度，度，表面表面张力不再降低，力不再降低，而体相中的胶束不断而体相中的胶束不断增多、增大。增多、增大。2023/2/23542.2.2.1 临界胶束浓度的测定方法临界胶束浓度的测定方法1.表面张力法表面张力法界面张力仪界面张力仪2023/2/23552.电导法电导法3.增溶作用法增溶作用法4.染料法染料法2023/2/23565.光散射法光散射法2023/2/23572.

17、2.2.2 影响临界胶束浓度的因素影响临界胶束浓度的因素表面活性剂的碳氢链长表面活性剂的碳氢链长碳氢链分支碳氢链分支 极性基团的位置极性基团的位置碳氢链中其它取代基的影响碳氢链中其它取代基的影响亲水基团的种类亲水基团的种类疏水链的性质疏水链的性质温度温度离子型离子型 Krafft point非离子型非离子型 浊点浊点 cloud point 2023/2/23582.2.3 胶束的形状和大小胶束的形状和大小球球 状状2023/2/23592023/2/23602023/2/23612.2.4 胶束的作用胶束的作用乳化作用乳化作用泡沫作用泡沫作用分散作用分散作用增溶作用增溶作用催化作用催化作用2

18、023/2/23622.3 表面活性剂结构与性能的关系表面活性剂结构与性能的关系2.3.1 表面活性剂的亲水性表面活性剂的亲水性 HLB亲亲 水水 亲亲 油油 平平 衡衡 值值(Hydrophile-Lipophile Balance)表表面面活活性性剂剂分分子子中中亲亲水水和和亲亲油油基基团团对对油油或或水水的的综综合合亲亲合合力力，是是用用来来表表示示表表面面活活性性剂剂的的亲亲水水亲亲油油性性强强弱弱的的数数值值。Griffin632023/2/23HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/52.3.1.1 HLB的确定的确定非离子型非离子型多元醇脂肪酸酯多元醇脂肪酸酯HLB=2

19、0(1-S/A)聚氧乙烯型聚氧乙烯型皂化值不易得到的皂化值不易得到的HLB=(E+P)/5642023/2/23离子型离子型HLB=(亲水基团亲水基团HLB)+(亲油基团亲油基团HLB)+7混合型混合型HLB混合混合=(HLBi qi)2023/2/2365 亲油亲油|亲水亲水 HLB值 0 1 3 6 7 8 10 12 13 15 18 20|消泡|润湿剂|增溶剂|石蜡 W/O乳化剂|去污|聚乙二醇|渗透作用|O/W 乳化剂|2.3.1.2 HLB与表面活性剂应用关系与表面活性剂应用关系2023/2/23662.3.2 亲油基的影响亲油基的影响氟氟代烃基代烃基 硅氧烃基硅氧烃基 脂肪族烷烃

20、基脂肪族烷烃基,环烷烃环烷烃基基 脂肪族烯烃脂肪族烯烃 脂肪族芳香烃脂肪族芳香烃 芳香烃芳香烃 带弱亲水基的烃基带弱亲水基的烃基疏水性疏水性2.3.3 亲水基的影响亲水基的影响2023/2/23672.3.4 分子形态的影响分子形态的影响2.3.4.1 亲水基的相对位置亲水基的相对位置位于分子位于分子中间中间时湿润性能比较强时湿润性能比较强位于分子位于分子末端末端时去污能力比较强时去污能力比较强2.3.4.2 亲油基的支链亲油基的支链有分支结构有分支结构的湿润性和渗透性的的湿润性和渗透性的较好较好 去污能力去污能力较差较差亲水基分子亲水基分子2023/2/23682.3.5 分子量的影响分子量的影响分子量小的分子量小的的湿润性和渗透性的的湿润性和渗透性的较好较好分子量大的分子量大的洗涤、分散、乳化能力洗涤、分散、乳化能力较好较好表面活性剂的溶解度表面活性剂的溶解度2.3.7 表面活性剂的安全性和温和性表面活性剂的安全性和温和性2.3.8 表面活性剂的生物降解性表面活性剂的生物降解性