第五章 表面活性剂2

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n 为胶束的平均聚集数, Mn为胶束的表观分子量, M0为表面活性剂的分子量.
(5-14)
影响胶束分子量的因素:
(1)表面活性剂分子结构的影响 (2)电解质的影响 (3)有机添加剂的影响
(4)温度的影响
在水溶液中,表面活性剂与溶剂的不相似性越 大,则形成胶束的聚集数也越大。 1. 在水溶液中,若表面活性剂的烃链增长,即碳原子数增加,
表5-7 HLB值范围及其适当用途
HLB值范围 1~3 3~6 7~9 应用 消泡剂 W/O型乳化剂 润湿剂 HLB值范围 8~18 13~15 15~18 应用 O/W型乳化剂 洗涤剂 增溶剂
5.2.1.2 HLB 值的确定
(1)非离子型HLB值的计算
对聚乙二醇和多元醇非离子型表面活性剂:
HLB
测值。
表面活性剂(C16E6)溶液的粘度随浓度的增加而增加
通常,长链表面活性剂,如C14或更长碳链,在低或中等 浓度的情况下强度随浓度的变化有一个迅速的增加。
(3)层状胶束

1. 2.
层状胶束在表面活性剂分子自组装结构的研究中处于重要地位:
双分子层处于正胶束与反胶束的中间地位; 许多表面活性剂分子聚集结构是以双分子层为基元构成的;
5.2.1.1 亲疏平衡值
亲水-疏水平衡值HLB(Hydrophile-Lipophile Balance)的概念。
HLB的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小,HLB值
越大,表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB越低,则亲油性或 疏水性越强。 石蜡HLB=0, 油酸钾HLB=20 十二烷基硫酸酯钠HLB=40 阴离子表面活性剂HLB在1~40之间, 非离子表面活性剂的HLB在1~20之间。
对于分子链相对较短的表 面活性剂,如C8或C10。人 们看到相关性能随浓度增 加变化慢而有规则,并不 出现相分离。这种变化能 达到较高浓度(见图)。粘度 是表面活性剂应用中一重 要性能,它随浓度升高变 化平缓,近似于高浓度情
况下以球形颗粒分散的预
球形胶束溶液中相对粘度与体积分数关系(虚线 与实线是两种颗粒模型的理论预测,后者考虑了 颗粒间的相互作用。典型体系是C12E5胶束,该胶 束溶解了相等重量的癸烷)
-O-
-OH(失水山梨醇环) -OH(自由) -(C2H4O)- -COOH
1.3
0.5 1.9 0.33 2.1
-CF2-
CF3- 苯 环
0.870
0.870 1.662
例:求甘油硬脂酸单酯的HLB值,已知其
皂化值S=161,酸值A=198


解1: HLB=20(1-161/198)=3.8
解2: 20 C: 2-OH 1个-COO0.475×20=9.5 1.9×2=3.8 2.4
HLB=EO/5 (5-2)
其中EO为聚乙二醇部分及亲水基的质量%数
对多元醇型脂肪酸酯非离子型表面活性剂: HLB=20(1-S/A) (5-3)
S为酯的皂化值, A为脂肪酸的酸值.
(由Griffin提出) 酸 值:中和1克样品所消耗的KOH的毫克数.
皂化值:皂化1克样品所消耗的KOH的毫克数.
O O C R O O C R' + 3 NaOH O C R'' O R C ONa CH 2 OH O R' C ONa + CH OH O R'' C ONa CH2 OH
1. 胶束的内核: 由碳氢链组成, 类似于液态烃的 内核。
图5-16 水溶液中聚氧乙烯非离 子型胶束结构示意图
2. 胶束的外壳: 由柔顺的聚氧乙 稀链及与醚键原 子相结合的水构 成,无双电层。
5.2.8.2 胶束的大小
胶束的大小与表面活性剂的乳化、分散、增溶、洗涤 等作用效果密切相关。
n Mn / M0
(3)温度影响
开始时CMC随温度升高而下降,中间经过一最小值,然后随
温度升高而增大。
图5-8 温度对十 二烷基硫酸钠(1) 及 C10H21(C2H4O)3H (2)的CMC影响
(4)其它因素影响
在水溶液中添加电解质会导致CMC下降。
电解质对离子型影响较大,两性次之,对 非离子型影响较小。 少量有机物的加入会导致CMC很大的变化
17 C11H23SO4Na 52
C7H15SO4Na
C8H17SO4Na C9H19SO4Na C10H21SO4Na
22
27 33 41
C12H25SO4Na
C14H27SO4Na
64
80
C16H33SO4Na 100
影响胶束分子量的因素:
(1)表面活性剂分子结构的影响
(2)电解质的影响
(3)有机添加剂的影响 (4)温度的影响
HLB=3.8+2.4+7-9.5 =3.7
CH 2OOC(CH 2 16 3 ) CH CHOH CH2 OH
HLB值的测定方法
(1)分配系数法:将水和油(通常用辛烷)放在一起,再 加入表面活性剂,当其在油水两相中达到溶解平衡时,分 别测定它在两相中的浓度:水相中Cw,油相中Co,然后 计算HLB值。一般非离子表面活性剂的计算公式:
HLB 7 0.36 ln(Cw / Co )
HLB值的测定方法
(2)气液色谱法
将表面活性剂作为色谱柱的基质,涂布在载体柱上,注 入等体积的极性与非极性的混合物,一般用乙醇和环己 烷,分别测得保留时间R极性和R非极性,作为基质的表面活 性剂的极性可由混合物在色谱柱上的保留时间比ρ 来衡 量。
围均发生突变,如图5 -6:
图5-6 表面活性剂物理性质随浓度变化图
影响CMC的因素:

亲油因素使CMC下降; 亲水因素使CMC增加

(1)疏水基的影响 在C8~C16范围, 表面活性剂疏水基烃链长度增加会导致
CMC下降。

表面活性剂的烃链上如果有支链,则有分支的表面活 性剂的CMC值比同碳原子数的直链化合物高得多。
3.
表面活性剂有序组合体的一个重要意义就是在生命科学中的应用。
细胞膜的基本结构是由两亲分子的双分子层闭合或折叠而成的。
形成双分子层表面活性剂的几何排列 参数要求接近1

结构: 通常出现在双碳链的表面活性剂或小极性的非离子表面活性剂的水体系 中。如:双尾阴离子表面活性剂琥珀酸二-(2-乙基己基)酯磺酸钠、阳
亲水基部分分子量 100 表面活性剂分子量 5
亲水基分子量 100 疏水基分子量 亲水基分子量 5
例:求
C 9H19
O (CH 2CH 2O)9H 的HLB值
解:亲水基分子量:(CH2CH2O)9=396 表面活性剂分子量=616 HLB=396/616*100/5=12.86
对于聚乙二醇型非离子表面活性剂,上式可作如下改变:
程度弯曲的双分子层,如囊
泡、层状胶束; R>1:疏水基包裹亲水基, 形成微乳、反胶束等
(2)浓度
胶束形状随表面活性剂浓度的变化情况
胶束形状-性能-浓度的关系
(1)表面活性剂的水溶性比较好,随着浓度从CMC增长到 饱和,其溶液的物理化学性能(粘度、光的散射、光谱等) 变化比较平缓。这表明,胶束结构有一些改变,但不是实 质上的改变,胶束保持小的体积,同时也保持球形形状。 (2)表面活性剂的水溶性比较好,但随着表面活性剂浓度增 长,某些性能发生了急剧变化。这表明自聚集结构发生了 明显的改变。 (3)表面活性剂的溶解性比较低,较低浓度即发生相分离。
CH2 CH
CH2 O
(2)其他类型表面活性剂HLB值的计算
HLB H L 7
(2-4)
(3)混合表面活性剂HLB值的计算
mA HLBA mB HLBB HLB mA mB
(2-5)
mA 、mB为混合表面活性剂种A,B组分的质量,
HLBA,HLBB为A,B组分各自的HLB值。
5.2.3

临界胶Leabharlann Baidu浓度
少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降,但 到某一浓度后,水溶液的表面张力几乎不变。这个
表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度(CMC)。
在临界胶束浓度下表面活性剂分子在水的表面形成 了单分子膜。继续增加浓度,表面活性剂分子在水 中形成的胶束增多,表面性能并不改变。

不仅表面张力,表面活性剂乳液的其他性能在cmc范
5.2.8.3 胶束的形状:受表面活性剂的分子结构、浓度、温 度及添加剂等多种因素的影响
(1)分子结构
R:几何排列参数; V:表面活性剂分子疏水部分体积; lc:疏水基碳氢链长度,最大值不超过碳链伸展长度; a0:亲水基头面积。
表面活性剂的几何排列 参数与胶束结构变化
R≤1/3:体系形成球状胶束; 1/3 ≤R ≤1/2:形成不对称 胶束,如椭球、扁球直到棒 状; 1/2 ≤R ≤1:形成具有不同

加入电解质到离子型表面活性剂溶液中会使 胶束的聚集数增加.

电解质对聚氧乙烯型非离子表面活性剂胶束 聚集数的影响无一定规律,有时增加聚集数, 有时减少聚集数,但总的来说影响不大。
十二烷基硫酸钠(SDS)胶束的聚集数与温 度和盐浓度的关系
影响胶束分子量的因素:
(1)表面活性剂分子结构的影响 (2)电解质的影响

烃链中有C=C键时,比同条件下的C-C的CMC大3~4倍; 烃链中引入极性基,CMC增大.
图5-7烃链中碳原子数m与CMC的关系 logCMC=A-Bm
(2)亲水基的影响

水溶液中,离子表面活性剂比同烃链的非离子表面
活性剂的CMC值高得多。

极性基位置从末端移到中间,CMC增大; 亲水键增多,CMC增大; 聚氧乙烯基数增多,CMC增大: LogCMC=A’+nB’ (5-8)
导致胶束聚集数降低,但影响不太大。

非离子型表面活性剂,则温度升高,聚集 数急剧增大,尤其在浊点附近。
表5-16 温度对胶束分子量及聚集数的影响
温 度/ ℃ Mn×104 聚集数n
10 1.6 32 25 2.55 52 38 7.10 144 43 18.4 372 注:C7H15COO(CH2CH2O)7.6CH3的分子量M0=492.4
表5-8 各种基团的HLB值
亲水基团
-SO4Na -COOK -COONa -N(叔胺) 酯基(失水山梨醇环) 酯基 (自由)
H
38.7 21.1 19.1 9.4 6.8 2.4
亲油基团L
-CH-CH2- CH3- =CH-(C3H6O)氧丙 烯基 0.475 0.475 0.475 0.475 0.15
C10H21O(C2H4O)8CH3 C10H21O(C2H4O)8CH3 温度:30℃
水+4.9% 癸烷
水+8.5% 癸烷 水+16.6% 癸烷
105
109 351
影响胶束分子量的因素:
(1)表面活性剂分子结构的影响 (2)电解质的影响
(3)有机添加剂的影响
(4)温度的影响

离子型表面活性剂水溶液中,温度升高会
(3)有机添加剂的影响
(4)温度的影响
有机添加剂的影响: 加入后使表面活性剂水溶液胶束聚集数增加 表5-15 有机添加剂对胶束大小的影响 表面活性剂 介 质 聚集数
C10H21O(C2H4O)8CH3
C10H21O(C2H4O)8CH3

水+2.3% 癸烷
83
90
C10H21O(C2H4O)8CH3
图5-9脂肪醇对C11H23COOK水溶液CMC的影响
5.2.8 胶束的结构、形状和大小
5.2.8.1 胶束的结构
1. 胶束的内核:由疏水碳氢链构成的类 似于液态烃的内核。 2. 胶束的外壳 胶束的外壳是指胶束与单体水溶液之 间的一层区域。 离子型表面活性剂:有表面活性剂的 离子头及固定的一部分反离子,还有 由离子的水化而形成的水化层。 3. 扩散双电层 主要由反离子组成的扩散双电层。扩 散双电层的厚度随溶液中离子强度的 增加而减小。
R极性 / R非极性
对于非离子型表面活性剂:
HLB A B lg
HLB 8.55 6.36
HLB值的测定方法
(3)溶度估测法 常温下将表面活性剂溶于水中,观察其在水中的分散状况 可大致估计其HLB值。 表5-9 HLB值范围与其在水中分散性能 HLB值范围 1~4 3~6 6~8 分散情况 不分散 分散能力不好 乳状分散液 (剧烈振荡后) HLB值范围 8~10 10~13 >13 分散情况 乳状分散液,稳定 半透明到透明液体 透明液体
则表面活性剂分子与溶剂水分子的不相似性增大,胶束的
聚集数n增大,特别是非离子表面活性剂,n的增加趋势 更大。
2. 对聚氧乙烯型非离子表面活性剂,在相同烃链长度下,聚
氧乙烯链增长,对溶剂水的亲和性增大,聚集数n减小。
表5-14 25℃下烷基硫酸钠的聚集数 n
表面活性剂
C6H13SO4Na
聚集数n 表面活性剂 聚集数n
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