表面活性剂的相关知识

表面活性剂

表面活性剂是一种功能性精细化工产品。表面活性剂不仅有洗涤去污作用而且有润湿、分机乳化、增溶、起泡、柔软、抗静电、杀菌等多种性能，因此以表面活性剂为主要成分的清洗剂在民用清洗和工业清洗中都得到广泛应用。表面活性剂的有关概念

一、表面张力与表面活性剂

1．表面与表面张力

按物理化学定义，在体系内部物理性质与化学性质完全均匀的一部分称为相。相与相之恫的接触面称为界面。在固、液、气相之间都存在界面。由于两种气体之间可以任意互相扩散成均匀一相，因此不存在气—气界面，液体与液体以及液体与固体之间可以存在液-液和液-固界面，两种固体接触也可形成固—固界面，但通常习惯上将气体与固体以及气体与液体之间的界面称为表面。

物体相界向上的分子与相内郡分子受力情况是不同的。卧7-1是描述水分子受力情况的示意图。由图可以看出，在水相内部，水分子(a)受到周围水分子的吸引力是平衡的，而在水与空气界面上的水分子(b)受到空气的吸弓[力要比受到水时吸引力小得多。因此表面层的水分子处于受力不平衡的状态；受到一种指向相内部的拉力使表面收缩。把这种作用于相表面而指向相内部的表面紧缩力称为表面张力。

表面张力是物质的一种属性，不同的物质有不同的表面张力，常见的液体物质中水有较大的表面张力，而苯、四氯化碳、正辛烷、乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂表面张力较小，

见表5—1。图7—1 表面分子与内部，分子受力情况不同

2．表面活性剂定义

将不同性质的物质分别溶于水时，发现水的表面张力会发生变化，一种情况是水的表面张力随溶质浓度的增加而加大，如将氯化钠、氢氧化钾、硝酸钾等无机物以及蔗糖、甘露醇有机物溶于水时所见到的情况；另一种是水的表面张力随溶质的加入而逐渐减小，如把绝大多数醇、醛、脂肪酸等有机物溶于水时的情况；第三种情况是水的表面张力在稀溶液时随溶质浓度的增加而急剧下降，下降至一定程度后便缓慢下来或不再下降，如在水中加入肥皂，烷基苯磺酸盐的情况。把物质能使溶剂表面张力降低的性质称为表面活性；第三类物质为非表面滑睦物质，而把具有表面活性的第三类物质称为表面活性剂，即表面活性剂为—类在溶液中浓度很低时就可以显著降低溶剂表面张力的物质。如肥皂在水中含量为10=3mol/L时就可将水的表面张力从73mN/m降低到32mN/m，它就是一种表面活性剂。 3．表面活性剂的双亲结构特点

这里介绍的是普通的碳氢表面活性剂，这种表面活性剂的分子结构是长链的疏水基团和亲水的离子基团或极性基团组成的，如常用的肥皂，它的主要成分是硬脂酸瑚硼(C17H35COONa)，它的分子中一部分是碳氢基团组成的长链(C17H35—)，与石油中含有的汽泔谰等矿物油成分相同，由于它与通常说的油(包括矿物油、动植物油)结构相似，因此当它与油接触时，容易相互吸引而溶解，所以把表面活性剂结构中的这部分称为亲油基，同时因这埔部分结构对水有排斥作用，所以又称为憎水基(疏水基)，而肥皂结构中的羟酸钠部分叫(一COONa)，在水中电离成羧酸根离子和钠离子是易与水结合而溶于水的，所以这部分被称为亲水基。

把表面活性剂分子是由亲油基和亲水基两部分吲结合在一起形成的这种结构称为双亲结构。图7—2是表面活性剂分子结构的示意图。有时也用～O表示其结构，～表示亲油基，O表示亲水基。

表面活性剂的疏水基主要是烃基包括长链的直链、支链、环状链烃基，也可能含有芳烃基，而亲水基分为离子型及非离子型两大类，其中离子型包括阴离子、阳离子和两性离子。通常根据1皋+水基类将表面活性剂分为阴离子、阳离子、两性离子和非离子表面活性剂四大类。

要发挥出表面活性剂的作用，仅仅在组成上含有亲油基和亲水基是不够的，必须在亲油性和亲水性之间保持一定的平衡。下面以脂肪酸钠的结构为例说明。

由图7—3可见，作为有表面活性剂作用的脂肪酸钠是贪碳数为12、14、16、18的几种。含碳数在12以下的如

醋酸钠(含有两个碳原子) CH3COONa的亲油基相对亲水基而言是过小了，所以只有亲水性而无亲油性，它是以分子状态完全溶于水的，也就起不到表面活性剂的作用。相反，含碳数在20以上的脂肪酸钠，亲油基又显得过大，可以完全溶解在亲油性溶剂中但不溶于水，也没有表面活性剂的作用。

图7—3 脂肪酸钠中亲油基和亲水基比例

实验证明，含有12～18个碳原子的脂肪酸钠(肥皂)既难溶于水又难溶于亲油性溶剂，才具有表面活性剂的各种特性。而且含12个碳原子的月桂酸钠C11H23COONa有比较大的亲水性，含18个碳原子的硬脂酸钠C17H35COONa 则有较强的亲油性。因此组成表面活性剂分子中的各种亲水基和亲油基之间存在着一定平衡关系。了解这种性质对研究表面活性剂的性质以及作为洗涤剂的特点有着重要的意义。

二、表面活性剂的HLB值

人们曾设法寻找定量数据来描述表面活性剂结构与亲水性和亲油性的关系，发现当表面活性剂的亲水基保持不变时，亲油基部分越长(即相对分子质量越大)，则水溶性越小，因此认为亲油基的亲油性是可以用亲油基部分的相对分子质量太小来表示的，但是由于亲水基的种类繁多，单位相对分子质量的亲水基的亲水性大小也不相等，所以一般不能用亲水基部分的相对分子质量来表示它的亲水性。但聚乙二醇型的非离子表面活性剂，它的亲水性是与它的亲水基聚乙二醇部分-(或聚氧乙烯部分)的相对分子质量成正比的亲水基的相对分子质量越大，亲水性越强，因此对它是可用亲水基部分相对分子质量大小来表示其亲水性。

格里芬(Griffin)，提出用亲水亲油平衡值(HydrophileLipophiticBalance，简称HLB)来表示表面活性剂的亲水性。表面活性剂的HLB值越大，其亲水性越强，反之，则疏永性(亲油性)越强。由于聚乙二醇型非离子表面活性剂的亲水，亲油性都与它的亲水性、亲油性部分的相对分子质量成正比，因此它们的HLB值可通过相对分子质量求出，具体经验公式为：

亲水基部分相对分子质量100

HLB值= —————————————————————×——

亲油基部分相对分子质量+亲水部分相对分子质量 5

亲水基部分相对分子质量 100

= ————————————×——

表面活性剂相对分子质量 5

=（亲水基分子质量分数）× 20

由于石蜡完全没有亲水性，它的HLB值为o；而完全由亲水基组成的聚乙二醇的，HLB值为20，因此聚乙二醇型非离子表面活性剂的HLB值介于0～20之间。

对于离子型表面活性剂不能用上式计算其HLB值，而是根据这些表面活性剂的乳化性能不同，通过与乳化标准油的比较实验测出它们的HLB值的。

计算阴离子型和非离子型表面活性剂HLB值可用基团法。计算公式为：

HLB＝∑H一∑上+7 (7—2)

式中∑H为表面活性剂亲水基基团值总和，见表7—1；∑L为表面活性剂亲油基基团值总和，见表7—1。