表面活性剂的基本作用与应用

5 表面活性剂的基本作用与应用

表面活性剂的分子由疏水基和亲水基组成。依据“相似相亲”的原则，当表面活性剂分子进入水溶液后，表面活性剂的疏水基为了尽可能地减少与水的接触，有逃离水体相的趋势，但由于表面活性剂分子中亲水基的存在，又无法完全逃离水相，其平衡的结果是表面活性剂分子在溶液的表画上富集，即疏水基朝向空气，而亲水基插入水相。当表面上表面活性剂分子的浓度达到一定值后，表面活性剂基本上是竖立紧密排列，形成一层界面膜，从而使水的表面张力降低，赋予表面活性剂润湿、渗透，乳化、分散、起泡、消泡、去污等作用。

由于表面活性剂疏水基的疏水作用，表面活性剂分子在水溶液中发生白聚，即疏水基链相互靠拢在一起形成内核，远离环境，而将亲水基朝外与水接触。表面活性剂分子在水溶液中的自聚(或称白组装、自组)形成多种不同结构、形态和大小的聚集体(参见第4章)。使表面活性剂具有增溶以及衍生出胶束催化、模板功能、模拟生物膜等多种特殊功能。

表面活性剂已广泛应用于日常生活、工农业生产及高新技术领域，是最重要的工业助剂之一，被誉为“工业味精”。在许多行业中，表面活性剂起到画龙点睛的作用，只要很少量即可显著地改善物质表面(界面)的物理化学性质，改进生产工艺、降低消耗和提高产品质量。根据应用领域的不同，表面活性剂分民用表面活性剂和工业用表面活性剂两大类。

民用表面活性剂主要是用作洗涤剂，如衣用、厨房用、餐具用、居室用、卫生间用、消毒用和硬表以以及个人卫生用品如香波，浴液和洗脸、洗手用的香皂、液体皂、块状洗涤剂等。其次是用作各种化妆品的乳化剂。

工业用表面活性剂可以分成两大类。一类是工业清洗，例如火车、船舶、交通工具的清洗，机器及零件的清洗，电子仪器的清洗，印刷设备的清洗，油贮罐、核污染物的清洗，锅炉、羽绒制品、食品的清洗等等。根据被洗物品的性质及特点而有各种配方，借助表面活性剂的乳化、增溶、润湿，渗透、分散等作用和其他有机或无机助剂的助洗作用，并施以机

械力搅动，达到去除油渍、锈迹、杀菌及保护表面层的目的。另一类是利用表面活性剂的派也性质作为工业助剂使用，应用于如润滑、柔软、催化、杀菌、抗静电、增塑、消泡、去味、增稠、防锈、防水、驱油、防结块、浮选、相转移，电子工业、仿十材料、聚合、墓因工程、生物技术等方面，还有许多应用正在不断开发中。

工业表面活性剂除了一般的阴离子、非离子、阳离子、两性离子表面活性剂以外，为满足合成橡胶、合成树脂、涂料生产中乳液聚合的需要，还开发了功能性表面活性剂，如反应性表面活性剂，分解性表面活性剂，含硅，氟、硼等特种表面活性剂等而广泛应用于纺织印染、合成纤维工业、石油开采、化工、建材、冶金、交通、造纸、水处理、农药乳化、化肥防结块、油田化学品、食品、胶卷、制药、皮革和国防等各个领域。

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5．1 润湿作用

5．1．1 润湿

当固体与液体接触时，原来的固—气、液—气表面消失形成了新的固—液界面，这种固体表面上气体被液体所替代的过程叫润湿。

润湿一般分为三类：附着润湿—一粘湿；浸入润湿——浸湿；铺展润湿——铺展。不论何种润湿过程，其实都是界面性质及界面能量的变化过程。

(1)粘湿指液体与固体接触，变液—气界面和固—气界面为固—液界面的过程。该过程体系的吉布斯自由能降低值一△G＝W+W。称为粘附功。若以ysg，代表固—气界面张力，Y1g 代表液—气界面张力，ysl代表固—液界面张力，则wa＝ysg十y1g—ysl。恒温恒压下，Wg>o，即自发粘湿。

(2)浸湿指固相浸入液体中的过程，即固—气界面为固—液界面所代替的过程。该过程体系的古布斯自由能降低值一△G＝Wiysg一ysl，wi称为浸湿功。恒温恒压下，Wi>o，能自发浸湿。

(3)铺展指液体在固体表面铺展的过程，即固—气界面为固—液界面所代替的过程。该过程体系的吉布斯自由能降低值一△G＝Ws＝S＝ysg一ys1l—y1g称为铺展功，也称铺展系数S。恒温恒压下，S>o，液体町以在固体表面上自动铺展，连续的从固体表面上将气体取代。

从以上讨沦可知，三种润湿发生的条件为：

对于同一体系，Wa>Wi>S。因此，当S≥o时，必有Wa>Wi>o。若液体能在固体上铺展，则必能粘湿与浸湿，亦即铺展是润湿的最高标准。因此，常以铺展系数5作为体系润湿性能的指标。式(5—1)中，固体的表面张力Ysg和固—液界面张力ysl难以直接从实验测定，所以需要引入接触角的概念。

5．1．2 接触角和润湿方程

如图5—1所示，(a)、(b)、(c)、(d)分别表示在一固体表面上滴一滴不同组成液体所出现的四种情况。其中，(a)为完全润湿，(b)为部分润湿，(c)为基本不润湿，(d)为完全不润湿。

把在气、液、同三相交界处的气—液界面和固—液界面之间的夹角叫接触角，以⊙表示。当⊙＝o°时，表示完全润湿；当0°<0<90°时，为部分润湿；当90°<⊙<180°时，为基本不润湿；当d》180°时，为完全不润湿。

现以图5—1中的(b)为例，平衡时，ysg，y9l，y1g及∫的关系为：

ysg一ysl＝y1gcos⊙(5—2)

式(5—2)即为润湿方程，亦即杨氏(Young)方程。将式(5—2)分别代人式(5—1)中，则有：