表面活性劑的性質及其應用

楊霄

摘 要：表面活性劑是一類同時具有親水基和親油基的兩親性分子，可以明顯降低液體的表面張力，具有乳化、潤濕、增溶和分散等作用，同時對液體產生泡沫有一定的影響。由于其獨特的性質，表面活性劑被廣泛用于合成洗滌劑、乳化劑、增稠劑、殺菌劑、消毒劑、潤濕劑等。除普通表面活性劑外，還研發出了多種新型表面活性劑，這些新型表面活性劑都有與普通表面活性劑不同的結構和特性，有著較強的應用潛力和發展前景。

關鍵詞：表面活性劑；兩親分子；Gemini；bola

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.097

現在人們的生活已經離不開肥皂、洗衣粉等各類合成洗滌劑，而這些洗滌劑的有效成分正是表面活性劑。生命中細胞膜的骨架—磷脂雙分子層的本質也是表面活性劑組裝的囊泡結構。除此之外，它還具有抗菌，增溶，乳化，潤濕，助懸，增粘，防腐，抗靜電等功能，也常被應用于食品和化妝品添加劑。

1 表面活性劑的概念和特點

表面活性劑（surfactant）是一類兩親性的長鏈分子，其結構中至少含有一個親水基和一個疏水基（圖1a）。由于水是極性液體，根據相似相溶，親水基易溶于水，與水有較強的偶極作用，而疏水基則與水的作用力很弱。從而在水溶液中，親水基團往往處于水相中，疏水基團則在水相外自身相互作用，互相靠近，這樣使表面活性劑能夠聚集形成膠束結構（圖1b～d）。膠束可以起到增溶，自愈合，也可以作為藥物載體。

表面活性劑在溶液中形成特殊結構的驅動力在于它能降低體系的表面張力。比如，在形成膠束時，這樣的結構使疏水基團與水相完全分離，可以顯著降低液體表面張力。基團的親水性和親油性可以用Griffin提出的親水親油平衡值（HLB）來衡量，比如羧酸根的HLB為21.2，烷基鏈的HLB為0.475。表面活性劑在溶液內部形成膠束的最低濃度即為臨界膠束濃度（CMC）。CMC也就是讓液體表面活性趨于穩定的最小濃度，即在CMC濃度以上，液體表面張力不會繼續減少。CMC可以用測定表面張力和電導率等方法確定。

2 普通表面活性劑

普通表面活性劑的親水基團一般是極性基團，比如羥基、氨基、胺鹽基團、羧基、磷酸基、硫酸基、磺酸基等；疏水基團多為非極性長鏈烷基，一般為八個碳原子以上，有時候疏水基團也可以是芳香基團。普通表面活性劑最簡單的分類方法可以按親水基團的性質來，可以分為離子型和非離子型兩類。其中離子型包括陽離子型、陰離子型、兩性離子型三類，如表1。

3 新型表面活性劑

20世紀以來，化學家們設計了新的表面活性劑，主要有Gemini型、bola型、離子液體型、大分子表面活性劑等。

3.1 Gemini型

雙子（Gemini）型表面活性劑的結構為一個連接基連接兩個親水基，兩個親水基再分別連接兩個疏水基（圖2a）。除去普通表面活性劑之外，還有不對稱型Gemini表面活性劑。這類Gemini表面活性劑的主要特點是兩端的親水基團和疏水基團不都相同。這類表面活性劑可調控因素更多，也正因為此，它的合成和提純都較為困難。目前為止，不對稱Gemini表面活性劑的研究報告較少。

相比于普通表面活性劑，Gemini型表面活性劑有以下幾個特點：CMC值較低，僅為普通表面活性劑的百分之一到千分之一左右；更易在溶液表面富集，有更強的吸附能力和表面活性；對有機物的增溶能力較強；有特殊的流變性，隨著濃度增大，Gemini表面活性劑的水溶液黏度隨濃度增加時先增大后減小；易于生物降解；與普通表面活性劑復配使用時有明顯的正協同效應。

3.2 Bola型

Bola型表面活性劑的結構為兩個親水頭基通過一個疏水基相連（圖2b），連接基團除了烷基鏈和芳香烴之外，還可以選用其他的基團，比如Fu合成了以金剛烷為連接基團的bola型表面活性劑。Bola型表面活性劑的膠束形態十分多樣，Liu發現選用不同長度的連接基團，可以形成不同的自組裝結構。在堿性條件下可形成納米絲狀和層狀膠束，酸性條件下可形成球狀和納米纖維狀的膠束。Hui發現當連接基團采用芳香性基團時，由于芳香基團之間存在π-π相互作用，膠束的形態會更加復雜。未來這類表面活性劑還有可能在光敏元件和納米級導線的制造等方面有重要應用。

4 結論

新型表面活性劑的結構異于普通表面活性劑，有著更加優異和特殊的性能。但是由于成本等因素的影響，新型表面活性劑的應用范圍和普及程度均不及普通表面活性劑。隨著研究的深入和更高效合成路線的發現，新型表面活性劑必將有無限的發展潛力。

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