表面活性剂的种类繁多,你都认识哪几种?

发布时间 | 2024-11-05 10:56 分类 | 粉体入门 点击量 | 1012
纳米材料
导读:当今,表面活性剂已成为我们工业生产中不可缺少的重要部分,它们的性质极具特色,应用极为灵活、广泛,有很大的实用价值和理论意义。经过多年的发展,表面活性剂已经发展了很多种品种,根据应用...

表面活性剂一词源于英文中的surfactant,意为surface active a-gent(面活性添加剂)目前普遍认为表面活性剂是这样一类物质:

1)它在分子结构上,由亲水基和疏水基两部分构成,疏水基碳链(疏水基团通常是碳氢链组成的,但也可能包括硅氧烷基团、氟碳链或其他非极性基团)碳原子一般在8-20之间

2)它能活跃于表面和界面上,具有极高的降低表面、界面张力的能力和效率;

3)它在一定浓度以上的溶液中能形成分子有序组合体,从而产生一系列应用功能。


图1 常见表面活性剂分子结构特征示意图

人们认识表面活性剂是从洗涤剂开始的,后来随着应用的发展逐渐走出了洗涤剂范畴,形成了一个独立的工业门类,并进入了国民经济各个领域和国家支柱产业,如能源工业、新型材料制备、环境工程、冶金、电子、机械、农业等各个领域,有效地改进了行业的生产工艺,对于提高效率,改善产品质量,节约能源和改善环境,起着“画龙点睛”的作用。在20世纪80年代中期,诺贝尔奖得主皮埃尔-吉勒·德热纳曾写道:“没有了表面活性剂,我们对于工业上90%的问题都无能为力。”

当今,表面活性剂已成为我们工业生产中不可缺少的重要部分,它们的性质极具特色,应用极为灵活、广泛,有很大的实用价值和理论意义。经过多年的发展,表面活性剂已经发展了很多种品种,根据应用场景需求不同,可以有许多不同的分类规则,下文将对不同分类规则进行简单的解析,并对阴离子表面活性剂,阳离子表面活性剂,非离子表面活性剂,两性离子表面活性剂,高分子表面活性剂,硅表面活性剂,氟表面活性剂展开说明。

一、表面活性剂分类方法


图2 表面活性剂的分类方法

1、根据亲水基团性质

因为表面活性剂通常用于水体系,亲水基通过离子间的相互作用或氢键作用而溶于水,所以常见的分类便是基于表面活性剂亲水基的分类。根据亲水基团水解后的电荷性质,可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂,后文第二部分将对这四种类型展开说明。

图3 亲水基团水解后的电荷性质类型

①非离子型表面活性剂:如果表面活性剂在水中不能发生电离,就称这种表面活性剂为非离子表面活性剂。

②阴离子和阳离子型表面活性剂表面活性剂在水中能够发生电离,我们就称这种表面活性剂为离子型表面活性剂;如果电离后能起活性作用的基团是阴离子,就称这种表面活性剂为阴离子表面活性剂;电离后能起活性作用的基团是阳离子,就称这种表面活性剂为阳离子表面活性剂

离子型表面活性剂溶解在水中成为两种带相反电荷的离子(表面活性剂离子和它的反离子)。例如,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)是一种常见的阳离子表面活性剂,其化学式为C16H33(CH3)3NBr,在水溶液中,它会电离成C16H33(CH3)3N+和Br- ;十二烷基硫酸钠(SDS)是一种常见的阴离子表面活性剂,其化学式为CH3(CH2)11OSO3Na,在水溶液中,它会电离成 CH3(CH2)11OSO3- Na+

③两性离子型表面活性剂:如果表面活性剂分子在水中发生电离后,其亲水基的不同部位上分别带有正电荷和负电荷(同时含有阳离子基团和阴离子基团),就称这种离子型表面活性剂为两性离子表面活性剂。

在不断改善表面活性剂性能的过程中,发现了一系列新型结构的表面活性剂,它们具有优异的协同作用以及更好的界面和聚集性质。这些新型表面活性剂在过去的三十年中备受关注,如阴阳离子混合型表面活性剂、Bola型、双子型、元素型聚合物型以及可聚合型的表面活性剂都属于此类。

2、根据疏水基(亲油基)结构分类

一般表面活性剂的亲油基上只含有碳氢两种元素(含 硅、氟、硼等元素的特种表面活性剂除外),表现在疏水性上的差异不是很明显。表面活性剂的亲油基可以是单链的,也可以是双链的、直链的或者是支链的烷基烃类,也可以是氟碳化合物、硅氧烷或芳香烃,通常包括下列不同的结构:

直链烷基(C8-C20

支链烷基(C8-C20

烷基苯基(烷基C数为8~16)

烷基萘基

松香酸衍生物

聚氧丙烯基

全氟聚氧丙烯基

全氟烷基

聚硅氧烷基

......

3、根据表面活性剂应用功能分类

表面活性剂因其特殊的结构、界面和溶液性质,进而延伸出一系列的功能和应用,常被应用为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润湿剂、分散剂、铺展剂、渗透剂、加溶剂等。

4、根据表面活性剂的溶解性能分类

可分为水溶性表面活性剂、油溶性表面活性剂。离子型表面活性剂一般为亲水性表面活性剂。非离子型表面活性剂则既可以是亲水性的,也可以是亲油性的,其溶解性取决于亲水基团吸引水的能力和亲油基团吸引油的能力之间的平衡,亲水亲油平衡(HLB)是量化这种相对平衡的指标。

5、根据表面活性剂分类子量大小分类

按表面活性剂分子量可以把表面活性剂分为低分子表面活性剂和高分子表面活性剂。一般情况下,不特殊说明时,表面活性剂都指低分子表面活性剂。(关于高分子表面活性剂见本文特殊表面活性剂的展开说明)

6、根据表面活性剂来源分类

①合成表面活性剂

合成表面活性剂是指通过化学方法合成制备的表面活性剂。其疏水基部分主要来源于石油化学制品的烃类,可以是直链、支链环状等不同结构的烃类。一般情况下,表面活性剂的疏水基都是碳氢链,只有特种合成表面活性剂中疏水链是其他材料,例如氟表面活性剂中疏水基为氟碳链,硅表面活性剂中的聚硅氧烧等,这类表面活性剂也叫特种表面活性剂。

②天然表面活性剂

天然表面活性剂是以天然油脂为原料生产的表面活性剂,是在人们认识到石油危机而对天然油脂进行开发的前提下出现的,主要的油脂原料中最常用的是棕榈油和棕榈仁油。

棕桐油中的脂肪组成以C12、C14为主体,类似于椰子油。棕榈仁油(又称棕仁油,取自棕榈果的仁)的脂肪酸组成以C16、C18为主体,近似牛脂,因此棕榈油和棕榈仁油包括植物油脂和动物油脂的各种脂肪酸组成,是一种埋想的油脂原料。从天然油脂原料中可以提纯出脂肪酸三甘油脂,经过皂化反应分离出脂肪酸和甘油。再以脂肪酸和由脂肪酸合成得到的高级脂肪醇为原料,即可合成各种油脂化学品及表面活性剂。

③生物表面活性剂

生物表面活性剂是指那些由细菌、酵母和真菌等多种微生物产生的具有表面活性剂特征的化合物。微生物在代谢过程中常分泌出一些具有表面活性的代谢产物,在这些物质分子中存在着非极性的疏水基团和极性的亲水基团。其中非极性基团大多为脂肪烃链或其他烃链,极性部分则多种多样,如脂肪酸的羧基、单或双磷酸酯基团、多羟基基团或糖、多糖、缩氨酸等,这些物质是微生物细胞的组成部分,并在一定条件下可分泌到细胞体外。

生物表面活性剂的优点是可以通过生物的方法得到许多用化学方法无法合成的表面活性剂,而且可在表面活性剂结构中引进新的化学基团,同时生物表面活性剂易于被生物完全降解,无毒性,无副作用,生态安全。

二、不同类型的表面活性剂及其常见产品

1、阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂是表面活性剂工业中开发最早、产量最大、工业化技术最成熟的一类产品。阴离子表面活性剂在水中电离成具有表面活性的阴离子基团,其疏水基一般为C8~20的长烃链,亲水基结构常有羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐等。其结构参考如下:


图4:阴离子表面活性剂--十二烷基磺酸钠化学结构

磺酸盐型

磺酸盐型阴离子表面活性剂其制备方法主要由烷烃、烯烃、芳烃等与磺化试剂发生磺化反应,再经中和而得。

②硫酸酯盐型

硫酸酯盐型阴离子表面活性剂其制备方法主要由脂肪醇、脂肪醇及烷基酚的乙氧基化物或脂肪酸衍生物等与硫酸化试剂发生硫酸化反应,再经中和而得。由于该类表面活性剂分子中存在C-O-S键,导致其易水解,特别在酸性介质中不稳定。因此,其应用范围受到某些限制。

羧酸盐型

羧酸盐型阴离子表面活性剂的亲水基为羧基,按亲油基与亲水基的连接方式可分为两种类型:一类是直接连接的高级脂肪酸盐类,即皂类;另一类是亲油基通过中间键如酰胺键、酯键、醚键等与羧基连接,即改性皂类。

④磷酸酯盐型

磷酸酯盐阴离子表面活性剂包括磷酸单、双酯盐,该类化合物由脂肪醇、脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚与磷酸化试剂(五氧化二磷、焦磷酸、三氯化磷、三氯氧磷等)反应,生成磷酸单酯和磷酸双酯,再用碱中和而制得。

2、阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂在水中电离成具有表面活性的阳离子片段,其中疏水基与阴离子表面活性剂中的相似,亲水基主要为含氮的阳离子基。它们与非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂具有良好的相容性。大多数与阴离子表面活性剂不相容,一般比阴离子和非离子表面活性剂要贵。

图4:阳离子表面活性剂--十六烷基三甲基氯化铵化学结构

疏水基与亲水基可直接连接,也可通过酯、醚和酰胺键相连。根据氮原子在分子中的位置,可分为直链的胺盐、季铵盐和环状的吡啶型、咪唑啉型。亲水基也可以是含磷、硫、碘的阳离子基,构成盐阳离子表面活性剂。

阳离子表面活性剂有很好的杀菌、抗静电、柔软、乳化性能,但洗涤去污性能较差,基于阳离子表面活性剂在固体基质上吸附的一些用途如下图所示。


3、非离子表面活性剂

非离子表面活性剂与其它表面活性剂的一个最大区别是,它溶于水后,不发生电离,在水中是以分子状态存在,而不是以离子状态存在,其分子中疏水基团和离子型表面活性剂的大致相同,而亲水基团则包含能够与水形成氢键的功能团,如醚基、自由羟基等,这些功能团常见于环氧乙烷、多元醇、乙醇胺等化合物中。

非离子表面活性剂分子中不含有羧酸基、磺酸基及硫酸基等酸性基团,不会与金属离子形成沉淀,因此非离子表面活性剂不怕硬水;非离子表面活性剂分子不带电,不受强电解质的影响;非离子表面活性剂分子中无酸性基团和碱性基团,所以不受溶液酸碱性的影响。非离子表面活性剂与离子型表面活性剂无不良反应,可以混合使用,且相容性好。

纳米材料合成中,由于非离子表面活性剂的CMC较低,在水中易于形成胶团,所以在纳米粉体中的应用较多。非离子表面活性剂品种见下图。

4、两性离子表面活性剂

两性离子表面活性剂,是化学结构中同时含有阳离子和阴离子亲水功能团的表面活性剂。

图5两性离子表面活性剂:椰油酰胺丙基甜菜碱化学结构

两性离子表面活性剂的生产成本较高,所以其产品的占有率较低,但由于它与其他表面活性剂混合使用时表现出良好的相容性及协同作用,这使得它们在配方设计中非常灵活。

5、几种特殊的表面活性剂=

①氟表面活性剂

传统表面活性剂分子中碳氢链上的氢原子部分或全部被氟原子取代,就成为氟表面活性剂,其独特性能很大程度上取决于疏水性的碳氟链。由于氟原子取代了氢原子,即碳氟键取代了碳氢键,氟原子电负性大,碳氟键的键能大,氟原子的原子半径也比氢原子大,因此该类表面活性剂具有“三高二疏”特性,即高表面活性、高热稳定性、高化学惰性及疏水性和疏油性。比如全氟烷基磺酸盐的热分解温度达420℃,不能被浓硫酸和浓硝酸破坏。全氟碳链既憎水,又憎油,因此在碳氟化合物表面上,不仅水不易吸附,油也不易吸附,导致水和油都不易在碳氟化合物表面铺展。

通常情况下氟表面活性剂呈固态或黏稠液态,不易挥发,对环境无明显影响,也没有明显的毒性,可以像普通表面活性剂一样安全使用。它与一般表面活性剂一样,随着极性基性质的不同,氟表面活性剂也分为阴离子型、阳离子型和非离子型等。

表1 阴离子型氟表面活性剂的主要品种

表2 阳离子型氟表面活性剂的常见品种

图3 两性氟表面活性剂的常见品种

表4 非离子型氟表面活性剂的常见品种

由于氟表面活性剂具有憎水、憎油的特性,固体表面用氟表面活性剂处理后,可赋于固体表面抗水、抗粘、防污、防尘特性,广泛用于纺织、皮革、造纸和化工行业。

硅表面活性剂

硅表面活性剂顾名思义,就是含硅的表面活性剂。与常规的表面活性剂类似,含硅表面活性剂按亲水基的结构可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型等四类。如果按照疏水基的结构分类,则可分为硅烷基型和硅氧烷基型两类。由于硅烷基和硅氧烷基均具有很强的疏水性,因此它们成为除氟表面活性剂之外的另一性能优异的表面活性剂,具有较高的热稳定性和耐候性,以及优良的表面活性、润湿性、分散性、抗静电性、消泡和乳化性能。

a、硅烷基型:此类表面活性剂疏水部分的结构通式及品种列举


b、氧烷基型:此类表面活性剂疏水部分的结构通式及品种列举。

③高分子表面活性剂

高分子表面活性剂是相对分子质量较大而且具有表面活性的化合物。通常合成表面活性剂的相对分子质量在400以下,个别非离子表面活性剂可达1000~2000,但高分子表面活性剂的相对分于质量在2000以上,有的甚至高达几百万。根据其亲水基种类不同,高分子表面活性剂也可以分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型几类。高分子表面活性剂还可以分为无规型、嵌段型和接枝型等几种分子构造形式。

图5 高分子表面活性剂的分类和品种举例

高分子表面活性剂的性能与低分子表面活性剂相比,它降低表面张力或界面张力的能力小,渗透性也较弱,但乳化力好,分散性和稳定性也好,所以,高分子表面活性剂常常用做乳化剂、分散剂和稳定剂。高分子表面活性剂分子量对其性能起着关键作用,仅以聚丙烯酸钠为例,在相对分子质量几千到几数万时,具有较好的分散效果,可作为分散剂使用,而相对分子质量为几十万时,增稠效果明显,可作为增稠剂使用;当相对分子质量为几百万时则成为良好的絮凝剂。因此控制高分子表面活性剂的分子量就可以得到不同功能的高分子表面活性剂。尤其值得我们粉体工业行业注意的,高分子表面活性剂在在纳米粉体生产过程中常被用做分散剂。

 

参考资料:

1、表面活性剂原理与应用,杨继生编著

2、表面活性剂物理化学基础,侯海云,韩兴刚,冯朋鑫编著

3、表面活性剂与纳米技术,李玲编著

4、表面活性剂:原理、合成、测定及应用/赵世民编

 

粉体圈编辑:Alpha

作者:Alpha

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