水和表面活性剂

在下图中示意性地表达。
f 2l
定义：式中γ是液体的表面张力系数，简称表面 张力。表面张力的常用单位为mN/m。以上所说 的液体的表面张力实际上是液体与其所接触的气 体之间的界面张力，一般叫做表面张力。 定义：液体与其所接触的气体之间的界面自由能， 一般叫做表面自由能。
2、表面活性剂及其水溶液 的特性
定义：可以降低另一物的表面张力的物质，即为 表面活性剂。
通常意义上的表面活性剂是指具有亲油基和 亲水基的两亲分子。
各种表面活性剂分子结构示意图
胶束(MICELLE)与临界胶束浓度
表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定 浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体， 使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体 称为胶束。
3. 多元醇脂肪酸酯的HLB值 1954年，Griffin提出： HLB = 20(1-S/A)
S—酯的皂化值 A—脂肪酸的酸值
4. 基数法Davies(1957) HLB=7+ (亲水基的基数)－ (亲油基的基数) 5. Lin-Marszall计算法 HLB=AlnCMC+B
A,B 因不同种类表面活性剂而异
自身表面积的趋势，表面积的减小是降低其
状态能量的有效途径。液体分子之间存在着
相互吸引力，液体内部所有分子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ受到的合
力为零。对于液体表面的分子来说，由于液
体表面以外的气相中分子密度相对很小，分
子所受到来自气相的吸引力远比来自液体内
部分子的吸引力小。

因此．液体表面的分子实际上受到垂直于液
体表面且指向液体内部的合力，上述作用可
C12H25NHCH2CH2COONa
非离子表面活性剂
非离子型表面活性剂在水溶液中不发生电
离，其亲水基团主要由一定数量含氧的醚基和
羟基组成。非离子表面活性剂的应用越来越广
泛，其产量和用量在表面活性剂的总产量和总 用量中的比例逐渐增加，有超过其他类型表面 活性剂的趋势。
7、表面活性剂化学结构与性能的关系
第一章 水和表面活性剂
第一节 染整加工用水及 水的软化处理
1、水及其与染整加工的关系
一般来说，助剂或染料对纺织纤维的作用是 以水为介质的。因此，水的质量对纺织品染整加 工起着非常重要的作用。了解自然界水源及其分
布、水中各种杂质的形成以及对染整加工可能造
成不良影响的杂质的去除对纺织品染整加工是十
分必要的。水的一般来源为雨水、地表水、浅地
5、表面活性剂的去污作用
洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清 洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表 面不被再次污染等功能。
其中占主要成分的表面活性 剂的去污过程可用示意图说明： A. 水的表面张力大，对油污润湿 性能差，不容易把油污洗掉。
B. 加入表面活性剂后， 憎水基团朝向织物表 面和吸附在污垢上， 使污垢逐步脱离表面。
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
8、表面活性剂的安全性及其生物降解
一些表面活性剂的LD50和ECO50值
表面活性剂的生物降解可以通过三种氧化 方式实现，这三种方式分别为分子碳链末端的 α—氧化、β—氧化和芳环氧化。 部分表面活性的生物降解性如下图：
和季铵盐两种。胺盐型阳离子表面活性剂
中多数可以用作纺织品的柔软剂。其他常
用的阳离子表面活性剂多为季铵盐型。
两性表面活性剂
两性表面活性剂主要是指同时兼具阴离子 性和阳离子性的品种。在其等电点以上和以下 的水溶液中，它们分别表现出阴离子和阳离子 表面活性剂的性能，而在其等电点的水溶液中 则表现出类似非离子表面活性剂的性能。 十二烷基氨基丙酸甲酯是氨基酸型两性表 面活性剂中的一种：
表面的铺展，从而为提高纤维的润湿性能
起到积极作用。
4、表面活性剂的乳化、分散和增
溶作用
乳化作用
一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另 一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。 要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构 的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)， 或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。 有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂， 称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。 例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。
下水和深地下水。
控制染整厂用水质量是保证染整加工质量和 加工环节顺利进行的一个重要前提。染整厂对所 用水质的具体要求如表所示。
2、水的硬度和印染用水的软化
• 重碳酸盐的形成过程如下：
CaCO3+CO2+H2O——Ca(HCO3)2
MgCO3+CO2+H2O——Mg(HCO3)2
• 通过加热可将钙的重碳酸盐转化为
MEGA

醇醚按酸盐又叫做AEC，是国外于20 世纪80年代研究开发的一种性能优良的阴 离子发面活性剂。AEC的合成可以分为羧 甲基化法和氧化法两种。按甲基化法相应
的反应如下：
RO(CH2CH2O)nH+ClCH2COOHNa—— RO(CH2CH2O)nCH2COOH+NaCl
MgCO3+Ca(OH)2——Mg(OH)2 +CaCO3 MgSO4+Ca(OH)2——Mg(OH)2 +CaSO4 CaSO4+Na2CO3——CaCO3 +Na2SO4
离子交换法
软水剂添加法
第二节 表面活性剂及其在染整 加工中的应用
1、表面张力与自由能

任何自然状态下的液体都有自发地减小其
乳状液类型
简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶 于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相 称为内相，将连续存在的液相称为外相。
1.水包油乳状液，用O/W表示。内相为油，外相为
水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。
2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为
油，如油井中喷出的原油。
检验水包 油 乳状液
不溶于水的碳酸钙
Ca(HCO3)2——CaCO3 +CO2 +H2O
• 镁的重碳酸盐可以通过沸煮转化成 为碳酸镁，进一步转化为不溶性的 氢化镁：
Mg(HCO3)2——MgCO3 +CO2 +H2O
MgCO3 +H2O ——Mg(OH)2 +CO2

水的软化处理方法有石灰—纯碱法、离子交 换法和软水剂添加法。
9、绿色表面活性剂

烷基多糖苷又叫做APG，是以淀粉或 葡萄糖和天然脂肪醇为原料合成的一种新 型表面活性剂，具有无毒、无刺激和生物 降解快而彻底的优点。其基本合成反应如 下：

烷基葡萄糖酰胺又叫 做N—烷酰基—N—甲基 葡萄糖，简称MEGA。 MEGA是一种非离子表面 活性剂，其生物降解率可 达到98％—99％。其性能 温和，对环境和生物的安 全性极高。
加入水溶性染料 如亚甲基蓝，说 明水是连续相。
加入油溶性的染 料红色苏丹Ⅲ， 说明油是不连续 相。
增溶作用
非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入 油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大 增加，这称为增溶作用。
增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶 的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分 子形成的胶束中。 经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同 程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。
亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
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，所以 Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面 活性物质的亲水性。 两亲分子HLB值是一个很有价值但并不精确的 标准，下面介绍一些估算方法
HLB值及其测定
1. Griffin法（1949年） 人为规定：最不亲水的石蜡的HLB值为0，最 亲水的十二烷基硫酸钠的HLB值为40，然后根据 乳化效果来排队，愈亲水，则HLB值愈大。 2. 聚氧乙烯醚类表面活性剂
亲水基分子质量 HLB值= ×20
亲水基分子量+憎水基分子量
例如：石蜡无亲水基，所以HLB=0 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0～20之间。
这时溶液性质与理想性质发生偏离， 在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转 折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再 降低，而体相中的胶束不断增多、增大。
3、表面活性剂的渗透和润湿作用
液体对固体表面的润湿程度和接触角
接触角与界面自由能的关系
前进角和后退角
cos ' r cos
在纺织品的湿加工过程中，作为润湿 剂的表面活性剂的加入可以降低水溶液与 纤维之间的界面张力γsl和水溶液自身的 表面张力γlg ，从而可促进水溶液在纤维
2.非离子型
阴离子表面活性剂

高级脂肪酸盐类
肥皂是此类表面活性剂中的代表。它是以油脂 为主要原料，通过与碱的水溶液加热水解而生成：

磺酸盐类
（1）烷基苯磺酸盐类 （2）烷基萘磺酸盐类
（3）烷基磺酸盐类
烷基硫酸酯盐类 土耳其红油


烷基磷酸酯盐类
阳离子表面活性剂
阳离子表面活性剂的品种一般有胺盐
C. 污垢悬在水中或 随泡沫浮到水面后被 去除，洁净表面被活 性剂分子占领。
6、常见表面活性剂及其在染整
加工中的应用
表面活性剂分类
表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分
为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为 阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。 阳离子型 1.离子型 阴离子型 两性型
表面活性剂
氢氧化钙和碳酸钠是石灰—纯碱水软化过程中
采用的药品，这些药品的加入使上述物质发生沉淀，
从水中去除。碳酸氢盐可以用氢氧化钙(石灰)去除，
而非碳酸盐引起的水硬度则可用碳酸钠(纯碱)消除。 上述过程可由下列化学反应式表示：
Ca(HCO3)2+Mg(OH)2——2CaCO3 +2H2O
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2——MgCO3 +CaCO3 +2H2O
常用的破乳方法有： （1）用不能生成牢固保护膜的表面活性物质 来替代原来的乳化剂； （2）用试剂破坏乳化剂； （3）向乳状液中加入适量起相反效应的乳化 剂； （4）除以上方法外，用升高温度以降低分散 介质的粘度，从而降低乳状液的稳定性。还 可在离心力场下使乳状液浓缩；在外加电场 下使分散的液滴聚结；在加压下使乳状液通 过吸附剂层等方法。
随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可
呈现棒状、层状或球状等多种形状。
胶束(micelle)
胶束(micelle)
胶束(micelle)
胶束(micelle)
临界胶束浓度 (CRITICAL MICELLE CONCENTRATION)
临界胶束浓度简称CMC
表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性 剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相 内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶 束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。
6. 由溶解能力估算：溶解度越大，HLB值越大。
根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性 剂。例如：HLB值在2～6之间，可作油包水型的乳 化剂；8～10之间作润湿剂；12～18之间作为水包 油型乳化剂。
HLB值 0 |
2 4 6 8 10 12 14 |———| |——| |——|
16 18 20 |——| |