表面活性劑的作用原理與應用

葉聰 楊飛 李勇

摘要：表面活性劑通過在氣液兩相界面吸附降低水的表面張力，也可以通過吸附在液體界面間來降低油水界面張力。表面活性劑系統的熱動力學很重要，不論是理論上還是實踐上。因為表面活性劑系統代表的是介于有序和無序物質狀態之間的系統。表面活性劑溶液可能含有有序相和無序相。膠束——表面活性劑分子的親脂尾端聚于膠束內部，避免與極性的水分子接觸;分子的極性親水頭端則露于外部，與極性的水分子發生作用，并對膠束內部的憎水基團產生保護作用。

關鍵詞：表面活性劑;合成;分類;作用原理

近年來，表面活性劑在生命科學、能源科學、信息材料以及許多現代高新技術中發揮了重要作用。表面活性劑一般為具有親水與疏水基團的有機兩性分子，可溶于有機溶液和水溶液。親水基團常為極性的基團，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其鹽，也可是羥基、酰胺基、醚鍵等;而憎水基團常為非極性烴鏈，如8個碳原子以上烴鏈。表面活性劑分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑等。它是一大類有機化合物，他們的性質極具特色，應用極為靈活、廣泛，有很大的實用價值和理論意義。

一、表面活性劑的分類

表面活性劑的分類方法很多，根據疏水基結構進行分類，分直鏈、支鏈、芳香鏈、含氟長鏈等;根據親水基進行分類，分為羧酸鹽、硫酸鹽、季銨鹽、PEO衍生物、內酯等;有些研究者根據其分子構成的離子性分成離子型、非離子型等，

按極性基團的解離性質分類

1、陰離子表面活性劑：硬脂酸，十二烷基苯磺酸鈉肥皂類。系高級脂肪酸的鹽，通式：（RCOOˉ）nM。

硫酸化物RO-SO3-M。主要是硫酸化油和高級脂肪醇硫酸酯類。

磺酸化物R-SO3-M。屬于這類的有脂肪族磺酸化物、烷基芳基磺酸化物和烷基萘磺酸化物。

2、陽離子表面活性劑：季銨化物

該類表面活性劑起作用的部分是陽離子，因此稱為陽性皂。其分子結構主要部分是一個五價氮原子，所以也稱為季銨化合物。其特點是水溶性大，在酸性與堿性溶液中較穩定，具有良好的表面活性作用和殺菌作用。

3、兩性離子表面活性劑：卵磷脂，氨基酸型，甜菜堿型

這類表面活性劑的分子結構中同時具有正、負電荷基團，在不同pH值介質中可表現出陽離子或陰離子表面活性劑的性質。

4、非離子表面活性劑：脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盤）。

二、表面活性劑的作用機理

由于兩相都將其看作本相的一個組分，就相當于兩個相與表面活性劑分子都沒有形成界面，就相當于通過這種方式部分的消滅了兩個相的界面，就降低了表面張力和表面自由能。表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力是物質的特性，其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關。表面自由能：在恒溫恒壓條件下使體系增加單位表面積，外界必須對體系做的功。

表面活性劑一般是低分子量分散劑。表面活性劑分子具有改性作用，特別是降低顏料和樹脂溶液間表面張力。表面活性劑結構上含有兩種溶解性或極性相反的基團，使表面活性增加。在水性體系中，極性基團是一些親水基，非極性的則是憎水基或親油基。在非水性體系中，極性基團是憎油基，非極性的為親油基。表面活性劑按其化學結構分類，特別是極性基團包括：陰離子、陽離子、電中性粒子和非離子。

聚合物分散劑作用下效力由以下因素確定：顏料表面極性基團的吸附作用。錨固基團可以是氨基、羧酸、磺酸、磷酸及其鹽。介質中圍繞在微粒周圍的非極性鏈段的行為。分子的一些部分（脂肪族或脂肪族-芳香族片斷）必須與粘接劑體系高度的相容。類似表面活性劑的分散劑的穩定機理是靜電穩定：圍繞顏料粒子的極性基團形成了雙層帶電的結構。由于布朗運動，液體介質中顏料粒子時常碰撞在一起，因此在其減速進程中具有強烈的重絮凝趨勢。

三、表面活性劑的作用

（1）乳化作用由于油脂在水中表面張力大，當水中滴入油脂后，用力攪拌，油脂被粉碎成細珠狀，互相混合成乳濁液，但攪拌停止又重新分層.如果加入表面活性劑，用力攪拌，停止后很長時間內卻不易分層，這就是乳化作用.其原因是油脂的疏水性被活性劑的親水基團所包圍，形成定向的吸引力，降低了油在水中分散所需要的功，使油脂得到很好的乳化。

（2）潤濕作用零件表面上往往粘附有一層蠟、油脂或鱗片狀的物質，這些物質是疏水性的.由于這些物質的污染，零件表面不易被水潤濕，當水溶液中加入表面活性劑時，零件上的水珠就很容易分散開來，使零件的表面張力大大降低，達到潤濕目的。

（3）增溶作用油類物質中加入表面活性劑后，才能溶解，但是這種溶解只有在表面活性劑的濃度達到膠體的臨界濃度時才能發生，溶解度的大小根據增溶對象和性質來決定.就增溶作用而言，長的疏水基因烴鏈要比短烴鏈強，飽和烴鏈比不飽和烴鏈強，非離子表面活性劑增溶作用一般比較顯著。

（4）分散作用灰塵和污粒等固體粒子比較容易聚集在一起，在水中容易發生沉降，表面活性劑的分子能使固體粒子聚集體分割成細小的微粒，使其分散懸浮在溶液中，起到促使固體粒子均勻分散的作用。

（5）泡沫作用泡沫的形成主要是活性劑的定向吸附作用，是氣液兩相間的表面張力降低所致.一般低分子活性劑容易發泡，高分子活性劑泡沫少，豆蔻酸黃發泡性最高，硬脂酸鈉發泡性最差，陰離子活性劑發泡性和泡沫穩定性比非離子型好。

四、表面活性劑的發展趨勢

系統開發安全、溫和、易生物降解、具有特殊作用的表面活性劑，研究其構效關系，為新型產品的開發和應用提供理論基礎。重點開發糖苷類表面活性劑，糖苷有多個游離羥基，類似多元醇，可開發各種多元醇類和醇類表面活性劑。

開發蔗糖脂肪酸酯系列產品，蔗糖脂肪酸酯是以8個羥基蔗糖為親水基，以置換了蔗糖羥基的脂肪酸部分為憎水基的非離子表面活性劑，是通過蔗糖與脂肪酸酯交換反應形成的。除單酯外，某種條件下可生成二酯和三酯。蔗糖脂肪酸酯可作食品添加劑（乳化劑），具有無毒、無臭、無刺激性、易生物降解性等優點，其洗凈力不大，但有W/0型乳化、增溶、起泡等多種性能，并且有抑制淀粉沉降和油脂結晶轉變的作用。研究表面活性劑在工業催化方面的應用，重點對酯化、磺化、烷基化、硝化反應專用的新型、高效、環境友好的催化劑進行開發研究，以降低工業生產成本。

參考文獻：

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