精细化工工艺学-工艺学-3-表面活性剂课件.ppt

1、精细化工工艺学杜可杰杜可杰南华大学南华大学 化学化工学院化学化工学院第三章 表面活性剂 表面活性剂是精细化工品的重要门类之一，表面活性剂是精细化工品的重要门类之一，在在日常生活、工业生产和科技领域有着非常重要的日常生活、工业生产和科技领域有着非常重要的作用和广泛的应用作用和广泛的应用。它是许多部门必要的化学助剂，。它是许多部门必要的化学助剂，其用量虽小，但收获甚大，往往能起到意想不到的其用量虽小，但收获甚大，往往能起到意想不到的效果，被誉为效果，被誉为“工业味精工业味精”的美称。的美称。表面活性剂:是指在加入很少量时就能显著降低溶液的表面张力，改变体系界面状态，从而产生润湿、乳化、起泡、增溶等

2、一系列作用，以达到实际应用要求的物质。表面活性剂在溶液中达到一定浓度以上，会形成分子有序组合体，从而产生一系列重要功能。单硬脂酸甘油酯（单甘酯）乳化剂水黾的高明之处：1、既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。2、它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离，这相当于一位身高1.8米的人以每小时400英里的速度游泳。3.1 表面活性和表面张力表面张力 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质

3、，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。表面张力物理意义：作用于表面单位长度上使表面收缩的力。单位：mN/m。在一定条件下任何液体，均有一定的表面张力，不同液体表面张力大小不同。另外，溶液与纯液体表面张力也不同。物质/(10-3Nm-1)T/K物质/(10-3Nm-1)T/K水(液)72.75293W(固)29002000乙醇(液)22.75293Fe(固)21501673苯(液)28.88293Fe(固)18801808丙酮(液)23.7293Hg(液)485293正辛醇(液水)8.5293NaCl(固)227298正辛酮(液)27.5293KCl(固)110298正己烷(液水)51

4、.1293MgO(固)1200298正己烷(液)18.4293CaF2(固)45078正辛烷(液水)50.8293He(液)0.3082.5正辛烷(液)21.8293Xe(液)18.6163某些液体、固体的表面张力和液液界面张力影响表面张力的因素表面张力是一种强度性质，纯液体的表面张力通常是指液体与饱和了本身蒸气的空气而言。影响表（界）面张力的因素主要有：液体本身的性质有关外，还与共存的另一相的性质有关；温度：温度增加，表面张力降低。压力：压力增加，表面张力降低。1 表面张力随溶液浓度的增加而稍有增大；(无机盐、多羟基有机物)2 表面张力随溶液浓度的增加而逐渐减小；(极性有机物)3 溶液的浓度

5、较低时，表面张力急剧地降低，浓度到一定值后，表面张力几乎不变化。(表面活性剂)第3类物质：表面活性剂（surface active agents,surfactants）具体地讲，表面活性剂应当是这样一类物质，在加入量很少时即能显著降低溶剂（通常为水）的表面（或界面）张力，改变物系的界面状态，能够产生润湿，乳化、起泡、增溶及分散等一系列作用，从而达到实际应用的要求。结构特点结构特点双亲性双亲性3.2 表面活性剂的结构特点3.2.1 表面活性剂的结构表面活性剂从结构上看均为两亲分子，即同时具有亲水的极性基团和憎水的非极性基团。疏水基 亲水基H2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COHCH

6、2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO当溶液浓度较稀，吸附量不大时，表面活性剂分子在表面层有较大的活动范围，它们的排列不那么整齐，但其憎水基团仍然倾向于逸出水面。当达到饱和吸附时，表面活性剂分子在水溶液紧密而有规则地定向排列着，水的表面就像覆盖一层薄的表面膜，称之为单分子膜（monomolecular film）。界面吸附及定向排列离子型表面活性剂在水中的溶解度随温度的上升逐渐增加，当达到某一特定温度时，溶解度急剧陡升时的温度此点也是离子表面活性剂在该温度下胶束形成温度，在Tk时，其溶解度等于临界胶束浓度CMC临界溶解温度：又称(krafft.point)Tk 它是指1%的表面

7、活性剂溶液在加热时由混浊忽然变澄清时相应的温度 krafft点越低，说明该表面活性剂的低温水溶性越好 krafft点越高，其溶解度降低。同系物表面活性剂的Tk值一般随着亲油链长的增加而上升当表面活性剂浓度继续增大，多余的分子在溶液中形成胶束。表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度 （CMC）临界胶束浓度 （CMC）的测量在CMC附件，表面活性剂溶液的许多性质都会出现转折,比如表面张力、电导率、去污能力等。临界胶束浓度 （CMC）的测量优缺点优缺点表面张力(测定cmc的标准方法)简单方便;对各类表面活性剂普遍适用;灵敏度不受表面活性剂类型、活性高低、浓度高低、是否有无机盐等

8、因素的影响电导率(测定cmc的经典方法)优点:简便;局限性:只限于测定离子型表面活性剂。染料法有时颜色变化不够明显，使cmc不易准确测定浊度法局限性:非极性有机物光散射法利用散射光强度-溶液浓度曲线中的突变点可以测定cmc。要求溶液非常干净，任何尘埃质点都对测定有显著影响表面活性剂的亲水基亲水基（亲水基（hydrophilic group）：对极性表面具有明显的）：对极性表面具有明显的亲和性，易溶于水。亲和性，易溶于水。亲水基离子型亲水基非离子型亲水基阴离子型阳离子型两性离子型亲水基类型羧酸盐：-COOM磺酸盐硫酸盐聚醚硫酸酯盐磷酸盐聚醚性磷酸盐亲水基类型铵盐季铵盐氨基酸甜菜碱醚键 羟基 表面

9、活性剂的亲油基亲油基（或叫疏水基hydrophobic group）：对水没有亲和力，不溶于水，易溶于油，具有亲油性质。直链烷烃支链烷烃环烷烃饱和烃（nC,820）不饱和烃亲油基脂肪族不饱和烃芳香族不饱和烃直链烷烃支链烷烃环烷烃饱和烃（nC,820）不饱和烃亲油基烷烃类烷基苯基烷基萘基氟代烷基松香基木质素 酚类聚合物硅氧烷表面活性剂的亲水性表面活性剂的HLB值 表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量 亲水基团的亲水性和亲油基团的亲油性可以有两种类型的简单的比较方法 1.表面活性剂的亲水性 亲水基的亲水性憎水基的憎水性 亲水基的亲水性2.表面活性剂的亲水性 憎水

10、基的憎水性表面活性剂的亲水性HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/5例如：石蜡无亲水基，所以 HLB=0 Griffin（格里芬）提出了用HLB(hydrophile-lipophile balance，亲水亲油平衡)值来表示表面活性剂的亲水性 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。其余非离子型表面活性剂的HLB值介于020之间。HLBHLB值的实际含义值的实际含义 HLB值代表亲水基和亲油基的平衡值，用来衡量亲水与亲油能力的强弱，实际上主要表征了表面活性剂的亲水性；HLB值越高，亲水性越强；HLB值越低，亲水性越弱。根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂例如：HLB值在26

11、之间，作油包水型（W/O）的乳化剂810之间作润湿剂；1218之间作为水包油型（O/W）乳化剂。HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20|石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂|聚乙二醇 O/W乳化剂表面活性剂的分类表面活性剂的分类人们一般都认为按照它的化学结构来分比较合适。即当表面活性剂溶解于水后，根据是否生成离子及其电性分类。表面活性剂离子型表面活性剂阴离子型表面活性剂阳离子型表面活性剂两性表面活性剂非离子型表面活性剂特殊表面活性剂（一）阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐阴离子表面活性剂R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐十二烷

12、基硫酸钠（SDS），又称月桂醇硫酸钠（SLS）。十二烷基苯磺酸钠（常用洗涤剂）(二)阳离子型表面活性剂阳离子表面活性剂 CH3|R-N-HCl仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3R-NH2HCl伯胺盐苯扎氯铵(洁尔灭)、苯扎溴铵(新洁尔灭)：常用浓度0.01-0.02%，杀菌力强、稳定。两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3R-(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

13、基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚毒性小，溶血作用较小，化学上不解离，不易受电解质，pH值的影响；能与大多数药物配伍，广泛应用于外用、口服制剂和注射剂。非离子表面活性剂特点非离子表面活性剂在水中的溶解度随温度上升而降低，升至某一温度，溶液出现浑浊，经放置或离心可得到富胶团和贫胶团两个液相，这个温度称为该表面活性剂的浊点(Tp)。这个现象是可逆的，溶液冷却后，即可恢复成清亮的均相。温度高于浊点时，表面活性剂将发生分相，许多性质和效能均下降浊点浊点的原因是：非离子表面活性剂通过它的极性基与水形成氢键，温度升高不利于氢键的形成。温度升高到一定

14、程度，非离子表面活性剂与水的结合减弱，水溶性降低，溶液出现浑浊。浊点大小：与乙氧基非离子表面活性剂的结构有关。亲油基固定，乙氧基所占比例越大，浊点越高。乙氧基相同，亲油基中碳原子数越多，浊点越低浓度影响大多数表面活性剂浊点随浓度增加而增加 形成均相氢键作用大。电解质影响电解质加入浊点降低 NaOH对浊点影响最大，盐使水分子缔合加强，有机相内水减少，水分子与醚氧氢键脱开。盐酸使浊点上升抗粘剂41种面粉处理剂7种面团改良剂34种洗涤去皮剂22种乳化剂19种加工助剂、消泡剂42种澄清剂25种脂肪结晶改良剂4种大部分用途是作为乳化剂、起泡剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂、结晶防止剂、抗菌剂，抗氧化剂

15、或与蛋白质和淀粉形成复合体及洗涤清洁剂表面活性剂的应用润湿作用乳化作用分散和凝聚作用发泡与消泡作用洗涤去污作用表面活性剂工业的现状一、世界表面活性剂工业的现状1.发展状况：应用范围广泛:表面活性剂应用范围广阔，在纺织、造纸、医药、食品、民用、建筑等各领域都有重要的作用。n目前全世界有6000多种，商品牌号上万种，年产量超过1400万吨，n生产和消费的表面活性剂品种：以阴离子为主，占55%；非离子次之，35%；阳离子和两性表面活性剂占10%世界表面活性剂家庭和工业应用比例（1 1）品种少，产量低，不能满足国内市场需求。（）品种少，产量低，不能满足国内市场需求。（20002000与与6000600

16、0）（2 2）人均消费水平低。）人均消费水平低。1994-19951994-1995年期间，美国人均消费量高达年期间，美国人均消费量高达13.9 13.9，位居世界第，位居世界第一；其次是日本，为一；其次是日本，为9.79.7；西欧为；西欧为6.66.6。而我国仅为。而我国仅为0.50.5，目前仍不足目前仍不足1 1，处于世界较低水平。，处于世界较低水平。（3 3）基础理论研究比较薄弱，缺乏复配和深加工技术的理论指导，生产）基础理论研究比较薄弱，缺乏复配和深加工技术的理论指导，生产工艺落后。工艺落后。我国表面活性剂工业的现状及未来发展趋势我国表面活性剂工业的现状及未来发展趋势2005-2010

17、年，中国表面活性剂产量复合增长率为10.6%，2010年产量达到140.2万吨，同比增长10.8%。同期中国表面活性剂的表观消费量约为148.9万吨，进口量为31.1万吨，进口依存度达20.9%发展趋势发展趋势：国际上表面活性剂的发展倾向于生态安全、：国际上表面活性剂的发展倾向于生态安全、无环境污染、生物降解完全、功能性强、化学稳定性及热无环境污染、生物降解完全、功能性强、化学稳定性及热稳定性良好，而成本低的产品。稳定性良好，而成本低的产品。科学研究动态：已由传统的界面化学进入到分子界面化学。例如，表面活性剂溶液的相行为、利用激光及中子散射研究微乳、胶束及液晶的微结构、选择性增溶、表面解离、表面改性、胶束催化、单分子膜、LB膜及仿生表面活性剂、表面活性剂结构与性能的关系、生物表面活性剂、混合表面活性剂体系、表面活性剂拓扑学以及功能性表面活性剂的分子设计等等。http:/http:/