1、表面活性剂,目 录,第一章 表面活性剂的功能及其作用 第二章 表面活性剂的合成 第三章 表面活性剂的复配技术第四章 表面活性剂的应用及其新进展 第五章 新型表面活性剂及发展趋势,第一章 表面活性剂的功能及其作用,第一节 表面活性剂在溶液中的状态第二节 润湿作用第三节 泡沫 第四节 乳化作用 第五节 加溶与微乳 第六节 分散作用 第七节 洗涤作用,第一节 表面活性剂在溶液中的状态,一、表面活性剂溶液的性质 1.溶液的物理化学性质 表面活性剂水溶液的表面张力随 浓度的变化而改变，当浓度比较低时， 表面张力随浓度的增加而降低，但当 浓度增加到一定值，表面张力几乎不 再随浓度的增加而降低，也就是说表
2、面活性剂溶液的表面张力随其浓度对 图1-1表面活性剂溶液特性示意图 数变化的曲线中有一突变点。不仅表面张力的变化有此特征，许多物理化学性质，如渗透压、密度、摩尔电导率、折射率、黏度等均有相同的变化规律，如图1-1所示，C12H25SO4Na水溶液的各种性质都在一个相当窄的浓度范围内发生突变。,第一节 表面活性剂在溶液中的状态,2.表面活性剂的溶解度 （1）临界溶解温度（克拉夫特点） 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，该温度称为临界溶解温度（Krafft Point），以Tk表示。表1-1列出了一些离子型表面活性剂的克拉夫特点。离子型表面活
3、性剂的溶解特点与它在水中能够形成胶团有密切关系。,（2）表面活性剂的浊点 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。表1-2列出了几个典型非离子表面活性剂的浊点。 出现浊点的原因是：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。 表面活性剂的这些性质都与表面活性剂能在水中形成胶团有关。,二、表面活性剂胶团与临界胶团浓度 表面活性
4、剂是由疏水的非极性基团 和亲水的极性基团组成的分子，它在水 溶液中会富集于表面并形成定向排列的 表面层，因而使表面张力降低。 表面活性剂水溶液，其表面张力随 图1-2 表面活性剂水溶液 浓度的变化如图1-2。 浓度和表面张力的关系 在浓度很低时，溶液表面张力急剧下降，很快达到最低点，此后溶液表面张力随浓度变化很小。达到最低点的浓度一般在1%以下。为了说明这一点，可参看示意图1-3。,图1-3 表面活性剂浓度变化和表面活性剂活动情况的关系 图1-3为按a、b、c、d顺序，逐渐增加表面活性剂的浓度，水溶液中表面活性剂的活动情况。当溶液中表面活性剂浓度极低时即极稀溶液时，如图1-3a，空气和水几乎是
5、直接接触，水的表面张力下降不多，接近纯水状态。如果稍微增加表面活性剂的浓度，它就会很快聚集到水面，使水和空气的接触减少，表面张力急剧下降。同时水中的表面活性剂分子也三三两两地聚集到一起，疏水基互相靠在一起，开始形成如图1-3b所示的小胶团。表面活性剂浓度进一步增大，当表面活性剂的溶液达到饱和吸附时，形成亲水基朝向水疏水基朝向空气，紧密排列的单分子膜，如图1-3c所示。此时溶液的表面张力降至最低值，溶液中的,表面活性剂会从单体（单个离子或分子）缔合成为胶态聚集物，即形成胶团。表面活性剂中开始大量形成胶团的浓度叫临界胶团浓度（cmc）。当溶液的浓度达到临界胶团浓度之后，若浓度再继续增加，溶液的表面
6、张力几乎不再下降，只是溶液中的胶团数目和聚集数增加，如图1-3d所示。此状态相当于图1-2曲线上的水平部分。 由上可知：为什么提高表面活性剂浓度，开始时表面张力急剧下降，而达到一定浓度后就保持恒定不再下降，临界胶团浓度是一个重要界限。,关于胶团的形成，可作如下解释：表面活性剂分子具有不对称的两亲结构，其长链疏水基与水有互相排斥的作用，因此有从水中“排出”或“逃离”的趋势。表面活性剂浓度在cmc以下时，它以单个分子或离子状态吸附于溶液表面，形成表面吸附，它在体相中的浓度小于它在表面的浓度，使界面自由能减少，体系得到稳定。当溶液浓度达到cmc时，表面活性剂在表面上的吸附达到最大值，溶液浓度大于cm
7、c时，表面活性剂在体相中的浓度显著增加，由于疏水基与水互相排斥，内部的表面活性剂为了减少界面自由能，只能形成疏水基向内，亲水基向外的缔合物，即胶团，从而使表面活性剂稳定地溶于水中。而胶团形成的动力，则是水分子与疏水基形成疏水水合作用，这是一个自发的过程。,胶团溶液是热力学稳定体系，处于胶团中的溶质与溶液中的单体形成动态平衡。胶团内核为疏水区，具有溶解油的能力。 表面活性剂溶液的很多物理化学性质如表面张力、电导率、渗透压等，与溶液中溶质的质点大小有密切关系，表面活性剂水溶液的浓度达到临界胶团浓度时，表面活性剂会随其浓度的增加大量形成胶团，导致质点大小和数量的突变，从而使溶液的一些性质发生突变，形
8、成共同的突变浓度区域。性质随浓度而变化的曲线如图1-1所示。,临界胶团浓度是表面活性剂的重要特性参数，它可以作为表面活性剂性能的一种量度。cmc越小，此种表面活性剂形成胶团所需浓度越低，为改变体系表面（界面）性质，起到润湿、乳化、起泡、加溶等作用所需的浓度也越低。也就是说，临界胶团浓度越低，表面活性剂的应用效率越高。此外，临界胶团浓度还是表面活性剂溶液性质发生显著变化的一个“分水岭”。所以，临界胶团浓度是表征表面活性剂性质不可缺少的数据。通常将临界胶团浓度时溶液的表面张力作为表征表面活性剂活性的特征参数。表1-3列出一些表面活性剂的临界胶团浓度。,四、临界胶团浓度的测定 表面活性剂水溶液的许多
9、物理化学性质随浓度变化，在cmc附近狭小的浓度范围内有一个突变点，原则上可以利用这些物理化学性质的突变，测定表面活性剂的cmc值。然而不同性质随浓度变化的机理有所不同，随浓度变化的改变率也不同，因此利用不同性质和方法测出的cmc有一定的差异，各种方法有不同的实用性，常用的有以下几种。,1.表面张力法 表面活性剂水溶液的表面张力开始时随溶液浓度增加而急剧下降，到达一定浓度（即cmc）后则变化缓慢或不再变化。因此常用表面张力-浓度对数图确定cmc。具体做法是：测定一系列不同浓度表面活性剂溶液的表面张力，作出-lgc曲线，将曲线转折点两侧的直线部分外延，相交点的浓度即为此体系中表面活性剂的cmc。这
10、种方法可以同时求出表面活性剂的cmc和表面吸附等温线。此法的优点是：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、是否有无机盐等因素的影响。而这些因素对其他一些方法的适用性有影响。例如，电导法只能测定离子型表面活性剂；采用电导法和渗透压法时，溶液中不能有无机盐存在。一般认为表面张力法是测定表面活性剂cmc的标准方法。只是在有少量高表面活性杂质（如高碳醇、胺、酸等物质）存在时，曲线会出现最低点，不易确定cmc，而且所得结果往往存在误差。但是最低点的出现能说明表面活性剂含有高表面活性杂质，因而此法又可作为表面活性剂纯度的鉴定方法。,2.电导法 这是测定cmc的经
11、典方法，具有简便的优点，但只限于测定离子型表面活性剂。确定cmc时可用电导率对浓度或摩尔电导率对浓度的平方根作图，转折点的浓度即为cmc。此方法对具有较高活性的表面活性剂准确性高，灵敏度较好；对cmc较大的表面活性剂灵敏度较差。无机盐的存在会影响测定的灵敏度。,3.染料法 利用某些染料在水中和胶团中的颜色有明显差别的性质，采用滴定的方法测定cmc。实验时，先在较高浓度(cmc)的表面活性剂溶液中加入少量染料，此染料加溶于胶团中，呈现某种颜色。再用滴定的方法，用水将此溶液稀释，直至颜色发生显著变化，此时溶液的浓度即为cmc。只要找到合适的染料，此法非常简便。但有时颜色变化不够明显，使cmc不易准
12、确测定，此时可以采用光谱仪代替目测，以提高准确性。,4.浊度法 非极性有机物如烃类在表面活性剂稀溶液（cmc）中一般不溶解，体系为浑浊状。当表面活性剂浓度超过cmc后，溶解度剧增，体系变清。这是胶团形成后对烃起到了加溶作用的结果。因此，观测加入适量烃的表面活性剂溶液的浊度随表面活性剂浓度变化情况，浊度突变点的浓度即为表面活性剂的cmc。实验时可以使用目测或浊度计判断终点。这种办法存在加溶物影响表面活性剂cmc的问题，一般是使cmc降低，降低程度随所用烃的类型而异。若用苯作加溶物，有时cmc可降低30%。,5.光散射法 由于胶团为几十个或更多的表面活性剂分子或离子的缔合体，其尺寸进入光波波长范围
13、，而具有较强的光散射。因此，利用散射光强度-溶液浓度曲线中的突变点可以测定cmc。此法除测定cmc外，还可以测定胶团的聚集数、胶团的形状和大小。要求溶液非常干净，任何尘埃质点都对测定有显著影响。,五、表面活性剂的化学结构对临界胶团浓度的影响 1.表面活性剂类型的影响 表面活性剂类型对临界胶团浓度有显著的影响。在疏水基相同的情况下，离子型表面活性剂的cmc比非离子型的大，大约差两个数量级。例如，癸基硫酸钠的cmc为0.023mol/L，而癸基甲基亚砜的cmc为0.0019mol/L。两性表面活性剂的cmc与有相同碳原子数疏水基的离子型表面活性剂相近。,2.疏水基碳氢链长度的影响 同类型表面活性剂
14、的临界胶团浓度随疏水基增大而降低，这是由于表面活性剂分子或离子间的疏水相互作用随疏水基变大而增强。离子型表面活性剂碳氢链的碳原子数在816范围内，cmc随碳原子数变化呈现一定规律：同系物每增加一个碳原子，cmc下降约一半。对于非离子型表面活性剂，cmc受疏水基碳原子数的影响更大。一般每增加两个碳原子，cmc下降至1/10。,3.碳氢链分支及极性基团位置的影响 非极性基团的碳氢链有分支结构，或极性基团处于烃链较中间位置，会使烃链之间的相互作用减弱，cmc值升高，表面活性降低。 在具有同样化学组成的表面活性剂分子异构体中，直碳氢链的表面活性剂，其cmc最低，支化度越高，cmc越高。例如，2-乙基十
15、二烷基硫酸钠的cmc为0.0043mol/L，而正十四烷基硫酸钠的cmc要小将近一半，为0.0024mol/L。 碳氢链相同时，极性基越靠近中间位置的，cmc越大。例如，碳原子数为十四的烷基硫酸钠，硫酸基在第一碳原子上的，cmc为0.0024mol/L，而在第七个碳原子上的，cmc为0.0097mol/L。,4.碳氢链上其他取代基的影响 在疏水基中除饱和碳氢链外还有其他基团时，会影响表面活性剂的疏水性，进而影响其cmc。例如，在疏水链中有苯基时，一个苯基约相当于3.5个CH2基团，p-nC8H17C6H4SO3Na虽然有十四个碳原子，却只相当于有11.5个碳原子的烷基磺酸钠，其cmc为1.51
16、0-2mol/L。另外，碳氢链中有双键时，其cmc较饱和化合物高。在疏水基中引入极性基(如-O-、-OH等)，亦使cmc增大。,5.疏水基化学组成的影响 含碳氟链的表面活性剂，其cmc要比同碳原子数的碳氢链表面活性剂低得多，相应地表面活性要高得多。碳氢链中的氢被氟部分取代的表面活性剂，其cmc随被取代程度的增加而减少。但碳氢链末端碳原子上的氢被氟取代的化合物，其cmc反而升高。例如，CF3(CH2)8CH2N(CH3)3Br的cmc为CH3(CH2)8CH2N(CH3)3Br的2倍。,6.亲水基团的影响 一价无机反离子对表面活性剂的cmc影响很小。若反离子为非极性的有机离子，那么随着反离子碳氢
17、链的增加，表面活性剂的cmc不断降低。例如，C12H25N(CH3)3Br的cmc为1.610-2mol/L(25)，而C12H25N(CH3)3C12H25SO4的cmc为410-5mol/L。 除表面活性剂的化学结构外，添加剂（如无机盐、极性有机物）对表面活性剂的cmc会有影响；温度对cmc也会有影响。,六、胶团的结构、大小和形状 1.胶团的结构 胶团的基本结构分为两部分：内核和外层，如图1-4所示。在水溶液中，胶团的内核由彼此结合的疏水基构成，形成胶团水溶液中的非极性微区。胶团内核与溶液间为水化的表面活性剂极性基构成的外层。 a.离子型表面活性剂胶团； b.非离子型表面活性剂胶团图1-4
18、 胶团结构示意图,（1）离子型表面活性剂胶团的结构 离子型表面活性剂有一个由疏水的碳氢链构成的类似于液态烃的内核，约12.8nm。胶团的外层指胶团内核与水溶液之间的区域，主要由水化的表面活性剂亲水基构成。离子型表面活性剂胶团的外层包括：表面活性剂离子的带电基团、通过电性吸引与之结合的反离子及水化水。例如，烷基硫酸盐表面活性剂胶团的外层不仅有硫酸根离子，还有与之结合的Na+等反离子。结合的反离子数量一般小于缔合的表面活性剂离子的数量，因此，胶团是带电的。因为整个体系是电中性的，在胶团-水界面之外必然有剩余的反离子存在于溶液中。由于带电的胶团产生电场，反离子在溶液中成扩散分布，形成扩散层，这个扩散
19、层与胶团外层一起构成扩散双电层结构。胶团的扩散双电层厚度随溶液中离子强度的增加而减少。胶团外层的表面活性剂极性基和结合的反离子都有水化作用，因此胶团外层也含有水化层。,（2）非离子型表面活性剂胶团的结构 非离子表面活性剂胶团的内核也是由疏水的碳氢链构成的类似于液态烃的内核。胶团的外层由柔顺的聚氧乙烯链及与醚键相结合的水构成。非离子胶团不带电，溶液中不存在扩散双电层。 2.胶团的大小 胶团的大小可以用缔合成一个胶团粒子的表面活性剂分子或离子的平均数目，即聚集数n来衡量。通常用光散射法、超离心法、扩散-黏度法、荧光光谱法等方法测定胶团的“分子量”，来确定胶团的聚集数。聚集数n可以从几十到几千甚至上
20、万。一些表面活性剂胶团的聚集数见表1-4。,影响胶团聚集数的因素有： （1）表面活性剂结构的影响 表面活性剂同系物水溶液中胶团的聚集数随其疏水基碳原子数增加而变大。对于非离子表面活性剂，这种变化尤为显著。 对于非离子表面活性剂，聚氧乙烯链长增加，而碳氢链长不变时，会引起非离子表面活性剂的亲水性增强，使表面活性剂的胶团聚集数减少。上述情况说明：表面活性剂亲溶剂性（在水中就是亲水性）变弱时胶团聚集数变大，反之则变小。 （2）无机盐的影响 在离子型表面活性剂溶液中加入无机盐时，胶团聚集数往往随盐浓度增加而增加。这是因为电解质的加入使聚集体的扩散双电层压缩，减少了表面活性剂离子头间的排斥作用，使表面活
21、性剂更容易聚集成较大的胶团。而加入无机盐对非离子表面活性剂的聚集数影响不大。,（3）有机物的影响 在溶液中加入极性或非极性有机物质，表面活性剂溶液浓度大于其临界胶团浓度时会发生加溶作用。加溶作用一般会使胶团胀大，从而增加胶团的聚集数，直至达到加溶极限。这种影响随加溶物的性质不同有很大差异。通常非极性加溶物的影响有限，往往抑制胶团的进一步长大；而醇和芳烃可促使胶团显著长大。 （4）温度的影响 温度升高，非离子表面活性剂胶团的聚集数显著增加，特别是当温度接近表面活性剂溶液的浊点时变化尤为显著。其主要原因是，温度升高，削弱醚氧与水的结合而降低其亲水性。温度对离子型表面活性剂在水溶液中的聚集数没有太大
22、影响，通常是升高温度使聚集数有所降低。,3.胶团的形状 一般认为，在表面活性剂溶液浓度略大于cmc，而且没有其他添加剂及加溶物的溶液中，胶团大多呈球状。在有些情况下，胶团形状呈扁圆状或盘状。 在10倍于cmc或更大浓度的溶液中，胶团一般是非球状的，而呈棒状结构。在这种结构中，表面活性剂分子的疏水链与水接触面积缩小，有更高的热力学稳定性。有些表面活性剂形成的棒状胶团有一定的柔顺性，能像蚯蚓一样蠕动。 溶液浓度继续增加，棒状胶团还可以聚集成束，形成六角束。 当溶液浓度更大时，就形成巨大的层状胶团。 随着浓度的增加，在溶液中加入适量的油（非极性液体），则可能形成微乳状液。若浓度进一步增加，可得到光学
23、各项异性的液晶态。,图1-5表示出胶团形状随溶液浓度变化的情况。 图1-5 表面活性剂溶液中胶团的结构形成,七、液晶 大多数关于表面活性剂的讨论只涉及到稀溶液，这时体系中只有单体和它们最基本的聚集体胶团。实际上，胶团只是表面活性剂溶液中存在的聚集形式之一。当体系的物理化学条件发生变化后，体系性质会发生改变，出现多种聚集体结构。图1-5中，从高度有序的结晶相到完全无结构的单体稀溶液，有一系列中间相态，它们的性质取决于表面活性剂的化学结构、体系的组成、温度、pH、添加剂等因素。,当表面活性剂从水溶液中结晶时，它们的分子间会发生强烈的相互作用，形成常见的晶体。此时的表面活性剂结晶中常带有一些溶剂，这
24、些溶剂与极性基结合存在于晶体中，形成水合物，水合物有一定的组成和形态。因此，它们虽是晶体，但与干的晶体又有所不同。把溶剂加到这种表面活性剂晶体中，体系的结构会发生转变，从高度有序的晶体形式变成较为无序的相，称为液晶或介晶相。液晶的特点是兼有某些晶体和流体的物理性质。从结构上看，至少在一个方向上高度有序排列，因此，液晶会显示清楚的X光衍射花样。液晶一般分为两大类：热致液晶和溶致液晶。热致液晶的结构和性质决定于体系的温度，溶致液晶则取决于溶质分子与溶剂分子间的相互作用。除了天然脂肪酸皂，所有表面活性剂液晶都是溶致液晶。常见的表面活性剂-水体系中有三种不同的溶致液晶：层状液晶、六方液晶和立方液晶，它
25、们的结构如图1-6所示。,a.层状液晶； b.六方液晶； c.立方液晶图1-6 表面活性剂溶致液晶的结构 不同类型的液晶是由不同形状的胶团以不同方式聚集而成的：层状液晶由层状胶团叠合而成；六方液晶由长棒状胶团平行排列而成；立方液晶则是由椭球形或短棒状胶团作立方点阵排列而成。,广义而言，润湿作用是指固体表面上的一种流体被另一种与之不相混溶的流体所取代的过程。因此，润湿作用至少涉及三相，其中两相是流体，一相是固体。一般常见的润湿现象是固体表面上的气体（通常是空气）被液体（通常是水或水溶液）取代的过程。例如，用含有表面活性剂的水溶液润湿玻璃，玻璃上的空气就被水取代了。能增强水或水溶液取代固体表面空气
26、能力的物质称为润湿剂。 一、润湿过程 润湿过程可分成三类：接触润湿（沾湿）、浸入润湿（浸湿）和铺展润湿（铺展）。下面分别讨论这些过程的实质及自发进行的条件。 1.沾湿 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（图1-7）。,设接触面积为单位值，则此过程中体 系自由能的降低值（）为： (1-1) 式中 气固界面自由能； 1-7 沾湿过程 气液界面自由能； 固液界面自由能。 Wa为粘附功，是沾湿过程中，体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。此值越大，固体和液体结合越牢。根据热力学第二定律，在恒温恒压条件下， Wa 0的过程为自发过程，即自发
27、沾湿。,2.浸湿 指固体浸入液体中的过程（图1-8）。 图1-8 浸湿过程 该过程实质是固气界面变为固液界面，而液体表面在过程中无变化。洗衣时把衣服泡在水中就是浸湿过程。 在浸湿面积为单位值时，过程自由能的降低值为： (1-2) 为浸湿功，反映了液体在固体表面上取代气体的能力。恒温恒压下，Wi0，能自发浸湿。体现了固体与液体间粘附的能力，又称为粘附张力，用符号A来代表。,3.铺展 指液体在固体表面取代空气 并展开的过程 见（图1-9）。 铺展过程的实质是固液界面代替固气界 面，同时液体表面扩展，形成新的气液图1-9 液体在固体上的铺展过程 界面。 在铺展面积为单位值时，体系自由能降低为： (1
28、-3) S称为铺展系数。恒温恒压下，S0，液体可以在固体表面自动展开，连续地从固体表面取代气体。 经过上面的讨论，我们知道了三种润湿发生的条件。对于同一体系，WaWiS,若S0，则WaWi0，故凡能自行铺展的体系，必能润湿和沾湿。因此，常把铺展系数作为体系润湿性能的指标。,二、接触角与润湿方程 将液体滴于固体表面，随体系性质而异，会出现四种不同的情况。如图1-10所示。图1-10 润湿的四种情况 在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角叫接触角，以表示。平衡接触角与三个界面自由能之间的关系为： （1-4）,此式即为杨氏方程，也叫做润湿方程。该方程可看作是，在三相的交界处，三
29、种界面张力平衡的结果。 将润湿方程分别代入式（1-1）、（1-2）、（1-3），则有： （1-5） （1-6） （1-7） 理论上讲，测定了液体表面张力和接触角，就可以得到粘附功、浸润功和铺展系数。由此可知，各种润湿发生的条件与固体表面的接触角有关。接触角越小，润湿性越好。,三种润湿自发进行的能量判据与接触角的关系为： 以接触角表示润湿性时，通常将=90作为润湿与否的标准。90为不润湿，90为润湿。越小，润湿性越好。 测定接触角的方法有：角度测量法、长度测量法、力测量法、透过测量法等。,三、影响润湿的因素 1.固体表面性质 由润湿方程可以看出，固体表面能愈高，即越大，愈易润湿。例如，棉织物的大
30、于防雨布的，所以棉织物易润湿。凡表面能高于100mN/m的固体，叫做高能表面固体，其表面叫做高能表面；凡表面能低于100mN/m的固体，叫做低能表面固体，其表面叫做低能表面。按照这个标准，有机固体和无机固体大致分属于这两类，一般无机固体，如金属及其氧化物、卤化物及各种无机盐，其表面属于高能表面。许多有机固体和高聚物的表面则属于低能表面。高能固体表面与一般液体接触后，体系表面能有较大的降低，能为这些液体所润湿；低能固体表面的润湿性能一般来说不好，但随固液两相成分与性质的不同而有很大变化。另外，固体表面的不均匀性和表面粗糙度对润湿性能也会产生影响。,2.加入表面活性剂 加入表面活性剂是改变体系润湿
31、性质，以满足实际需要的主要手段。表面活性剂对固体表面润湿性的影响，取决于表面活性剂分子在固液界面上定向吸附的状态及吸附量。 （1）提高液体的润湿能力 在水与低能固体表面组成的体系中，由于水的表面张力比固体的临界表面张力高，而不能在固体表面铺展。表面活性剂可以有效地降低水的表面张力，故常作为润湿剂加入到水中，以改善其润湿能力。应该选择降低水表面张力能力最强的表面活性剂，即和cmc最低的表面活性剂作为润湿剂。选择润湿剂，必须注意表面活性剂在固体表面上的吸附性质。比如，固体表面常带负电，阳离子型表面活性剂在固液界面形成亲水基向内，亲油基向外的吸附层，高能表面变成了低能表面，反而不易被水润湿。因此，阳
32、离子表面活性剂很少作为润湿剂使用。,（2）在固体表面吸附，改变固体表面性质 表面活性剂的双亲分子吸附于固体表面，极性基易朝向固体，非极性基朝向气体，形成定向排列的吸附层。带有吸附层的固体表面裸露的是碳氢基团，具有低能表面特性，从而改变了原固体表面的润湿性，以达到防水、抗粘等目的。例如，在选矿工艺中，常使用黄原酸钾（钠）浮选方铅矿。黄原酸钾（钠）在方铅矿粒子表面发生化学吸附，极性基与固体表面的金属原子联结，非极性基朝外，使其润湿性大大降低，而易于附着在气泡上，从水中“逃出”漂浮于表面。能降低高能表面润湿性的表面活性物常见的有：重金属皂类、高级脂肪酸、有机胺盐、有机硅化合物、氟表面活性剂等。,四、
33、润湿剂 在实践中，我们可以添加表面活性剂改变固-液、固-气和液-气三个界面的界面张力，来改变固体的润湿性能。 能使液体润湿或加速润湿固体表面的表面活性剂为润湿剂；能使液体渗透或加速渗入孔性固体表面的表面活性剂为渗透剂。 润湿剂的分子结构特点：良好的润湿剂其疏水链应具有侧链结构，且亲水基应位于中部，或者是碳氢链为较短的直链，亲水基位于末端。由于润湿取决于在动态条件下表面张力降低的能力，因此，润湿剂不仅应具有良好的表面活性，还要有良好的扩散性，能很快吸附在新的表面上。,润湿剂有阴离子型和非离子型表面活性剂。阴离子型表面活性剂包括烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、羧酸皂类、磷酸酯等。它们有
34、各自不同的适用环境，可用于农药、纺织、皮革、造纸、金属加工等许多领域。非离子型表面活性剂包括聚氧乙烯烷基酚醚，聚氧乙烯脂肪醇醚，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物等。,第三节 泡沫,一、泡沫的形成 泡沫是常见的现象。例如，搅拌肥皂水可以产生泡沫，打开啤酒瓶就有大量的泡沫出现。泡沫是气体分散在液体中的分散体系，气体是分散相，液体是分散介质。被分散的气泡成多面体形状。由于气体与液 体的密度相差很大，故液体中的气泡 总是很快升至液面，形成以少量液体 构成的液膜隔开气体的泡沫。 泡沫中各个气泡相交处（一般是 三个气泡相交）形成所谓Plateau交界， 图1-11 Plateau交界 图1-11的A处。,由图1
35、-11所示，B为两气泡的交界处，形成的气液界面相对比较平坦，可近似看成平液面，而A为三气泡交界处，液面为凹液面，此处液体内部的压力小于平液面内液体的压力，即B处液体的压力大于A处液体的压力，液体自动由B处流向A处，使B处液膜变薄，这是泡沫的一种自动排液过程。液膜薄至一定程度，会导致液膜破裂，泡沫破坏。另一种排液过程是因重力作用产生的向下排液现象，使液膜减薄。 一般来说，纯液体不会产生泡沫。例如，纯净的水不产生泡沫，只有加入肥皂等表面活性剂才能形成泡沫。能形成稳定泡沫的液体，必须有两个或两个以上组分。表面活性剂溶液是典型的易产生泡沫的体系，蛋白质及其他水溶性高分子也能形成稳定的泡沫。不仅水溶液，
36、非水溶液也能产生泡沫。,起泡性好的物质称为起泡剂。一般肥皂、洗衣粉中的表面活性剂都是起泡剂。起泡剂只在一定条件下（搅拌、鼓气等）具有良好的起泡能力，但生成的泡沫不一定持久。例如，肥皂与烷基苯磺酸钠都是良好的起泡剂，但肥皂生成的泡沫持久性好，后者却较差。为了提高泡沫的持久性，会加入增加泡沫稳定性的表面活性剂，称为稳泡剂。如月桂酸单乙醇酰胺、十二烷基葡萄糖苷等，都是稳泡剂。表面活性剂的泡沫性能包括起泡性能和稳泡性能两个方面。起泡性能用“起泡力”来表示，即泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少；“泡沫稳定性”指生成泡沫的持久性或泡沫寿命的长短。,二、泡沫的稳定性 泡沫是一种热力学不稳定体系，破泡后体系
37、总表面积减少，能量降低，这是一种自发过程，泡沫最终还是要破坏的。泡沫破坏的过程，主要是隔开气体的液膜由厚变薄，直至破裂的过程。因此，泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度，影响泡沫稳定性的主要因素，就是影响液膜厚度和表面膜强度的因素。下面，我们从几个方面对泡沫的稳定性进行讨论。,1.表面张力 生成泡沫时，液体表面积增加，体系能量（表面能）也相应增加。泡沫破坏时，体系能量降低。从能量的角度考虑，低表面张力有利于泡沫的形成，即生成相同表面积的泡沫，所需的功较少，体系能量增加较少。例如，乙醇的表面张力在20时为22.4mN/m。由于其表面张力低， 在外界条件作用下，乙醇易于产生泡沫，但泡沫不稳定
38、，易破裂。而表面活性不太高的蛋白质、明胶等虽然产生泡沫不像乙醇容易，但泡沫一旦形成却很稳定。说明表面张力低易于产生泡沫，但不能保持泡沫有较好的稳定性。只有表面膜有一定强度，能形成多面体泡沫时，表面张力的排液作用才能显示出来。如果液膜的表面张力低，在Plateau交界和平面膜间的压差就会小，液膜排液的速度就慢，此时低表面张力才有利于泡沫的稳定。,2.表面张力的自修复作用 表面张力不仅会影响泡沫的形成，而且在泡沫液膜受到冲击变薄时，有使液膜厚度复原，强度恢复的作用，即表面张力的修复作用。小针轻轻刺入肥皂膜，肥皂膜可以不破，这说明肥皂膜有自修复作用。表面张力的修复作用使泡沫具有良好的稳定性。当液膜受
39、到外力冲击或扰动时，液膜局部变薄，使液膜面积增大，导致此处表面活性剂浓度降低，表面张力增加。如图1-12所示，A处液膜比B处液膜薄，。由于B处的表面活性剂浓度高于A处的浓度，所以表面活性剂由B处向A处迁移，使A处的表面活性剂浓度恢复，同时带动邻近的液体一起迁移，使A处的液膜厚度恢复。,图1-12 表面张力的自修复作用,3.界面膜的性质 决定泡沫稳定性的关键因素在于液膜的强度，液膜的强度主要体现在液膜的表面黏度和弹性。 （1）表面黏度 表面黏度指液体表面单分子层内的黏度。它通常是由表面活性剂分子在表面上所构成的单分子层产生的。表1-5列出了几种表面活性剂水溶液的表面张力、表面黏度和泡沫寿命。,表
40、1-5所列数据表明，溶液表面张力的高低与泡沫寿命没有必然的关系。而表面黏度越高，泡沫寿命越长。十二烷基硫酸钠溶液的表面黏度最低，为210-4 Ns/m2，泡沫寿命也最短，为69s。然而当其中加入浓度为0.008%的少量月桂醇后，表面张力下降，表面黏度增加，泡沫的寿命由69s增加到1590s，极大地提高了泡沫的稳定性。这可能是因为十二烷基硫磺酸钠和月桂醇在气液界面上形成了致密的混合膜，使表面黏度提高。 （2）界面膜的弹性 表面黏度是产生稳定泡沫的重要条件，但同时还要考虑膜的弹性。例如，十六醇能形成表面黏度和强度很高的液膜，但稳泡作用不好，因为它形成的液膜刚性太强，容易在外界扰动下脆裂。因此理想的
41、液膜应具有高黏度和高弹性。 另外，液膜内液体的黏度增加，也有利于泡沫稳定性的提高，因为这样可以使排液速度减缓，起到稳泡作用。,4.气体的透过性 泡沫中的气泡大小不均匀，小泡中的压力比大泡中的压力高，这样，小泡中的气体通过液膜扩散到邻近的大泡中，使小泡变小直至消失，大泡变大最终破裂。气泡的透过性与液膜的黏度有很大关系，液膜的表面黏度高，气体的相对透过率就低，泡沫就越稳定性。表面活性剂吸附于泡沫的液膜上，形成紧密排列的吸附膜，使液膜的表面黏度升高，在阻止气泡排气的过程中起了很大作用。 5.表面电荷 若泡沫液膜的表面带有同种电荷，当液膜受到挤压、气流冲击或重力排液，会使液膜变薄，当液膜薄到一定程度大
42、约为100nm时，就会产生电斥作用，阻止液膜继续减薄以至破裂。使用离子型表面活性剂作起泡剂，它在水中离解会产生电荷。如十二烷基硫酸钠在水中电离后生成C12H25SO4-离子，使液膜表面带负电，Na+在液膜内，形成两层离子吸附的双电层结构，如图1-13所示。,当液膜变薄时，两表面的电相斥 作用开始变得显著起来，防止液膜进 一步变薄。 综合以上讨论可以看出，虽然影 响泡沫稳定性的因素较多，但最重要 的是液膜的强度。对于表面活性剂作 为起泡剂及稳泡剂的情况而言，表面吸附分子排列的紧密、结实性（强度）为主要因素。表面吸附分子结构紧密、相互作用强时，不仅表面膜本身具有较大强度，还能使吸附层下面的溶液不易
43、流动（表面黏度大），排液相对较困难，液膜厚度易于保持；而且，表面吸附分子排列紧密，还能减少气体的透过性，从而增加泡沫的稳定性。,三、消泡作用 1.消泡机理 消除泡沫大致有两种方法，物理法和化学法。工业上经常使用的是化学法中的消泡剂消泡。常用的消泡剂都是易于在溶液表面铺展的有机液体。它在溶液表面铺展时，会带走邻近表面层的溶液，使液膜局部变薄，直至破裂，达到消泡的目的。一般情况下，消泡剂在液体表面铺展越快，液膜变得越薄，消泡作用也越强。一般能在表面上铺展，起消泡作用的液体，其表面张力较低，易吸附在溶液表面，使表面局部张力降低，铺展自此局部开始，同时带走表面液体，使液膜变薄，泡沫破坏。一种有效的消泡
44、剂不但能够迅速破坏泡沫，还要有持久的消泡能力（即在一段时间内防止泡沫生成）。,2.消泡剂 常用的消泡剂有以下几类： (1)支链脂肪醇 如二乙基己醇、异辛醇、异戊醇、二异丁基甲醇等。这些消泡剂常用于制糖、造纸、印染工业中。 (2)脂肪酸及其酯 溶解度不大的脂肪酸及其酯，由于毒性极低，适用于食品工业。如失水山梨醇单月桂酸酯（Span-20）用于奶糖液的蒸发干燥，用于鸡蛋白和蜜糖液的浓缩，以防止发泡。 (3)烷基磷酸酯 具有低水溶性及大的铺张系数，有水溶和非水溶体系。 (4)有机硅酮 低表面能及在有机化合物中的低溶性，使其在水溶或非水溶体系中均有突出效果。广泛用于造纸、明胶、乳胶等工业中。 (5)聚
45、醚类 有聚氧乙烯醚、聚氧乙烯甘油醚等，是性能优良的水体系消泡剂。 (6)卤化有机物 有氯化烃、氟有机化合物，常用作消泡剂。高氟化物，表面张力极低，常用于防止非水体系起泡。,第四节 乳化作用,一、乳状液 1.概述 乳状液在日常生活中广泛存在，牛奶就是一种常见的乳状液。乳状液是指一种液体分散在另一种与它不相混溶的液体中形成的多相分散体系。乳状液属于粗分散体系，液珠直径一般大于0.1m。由于体系呈现乳白色而被称为乳状液。乳状液中以液珠形式存在的相称为分散相（或称内相、不连续相）。另一相是连续的，称为分散介质（或称外相、连续相）。通常，乳状液有一相是水或水溶液，称为水相；另一相是与水不相混溶的有机相，称为油相。 乳状液分为以下几类： 水包油型，以O/W表示，内相为油，外相为水，如牛奶等。,油包水型，以W/O表示，内相为水，外相为油，如原油等。 多重乳状液，以W/O/W或O/W/O表示。 W/O/W型是含有分散水珠的油相悬浮于水相中；O/W/O型是含有分散油珠的水相悬浮于油相中，如图1-14所示。a.W/O/W型 b.O/W/O型图1-14 多重乳状液,
