表面活性剂应用导论-第1章表面活性剂概述.ppt
2023/11/5,表面活性剂应用导论,表面活性剂应用导论,轻化工程专业课,丁斌,2023/11/5,表面活性剂应用导论,参考文献：表面活性剂合成与工艺，李宗石、徐明新编，轻工业出版社。表面活性剂和洗涤剂制备、性质、应用梁梦兰编著，科学技术文献出版社。表面活性剂应用大全刘程等编著，北京工业大学出版社。,2023/11/5,1.表面活性剂概述 6.两性表面活性剂2.表面活性剂的基本原理 7.非离子表面活性剂3.表面活性剂的功能与应用 8.特殊类型的表面活性剂4.阴离子表面活性剂 9.表面活性剂的复配5.阳离子表面活性剂,目 录：,2023/11/5,表面活性剂应用导论第1章,表面活性剂概述,轻化工程专业课,丁斌,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特点1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,1.1 前言,肥皂洗涤剂润湿剂乳化剂破乳剂分散剂泡沫助推器消泡剂增溶剂,2023/11/5,1.1.1 表面活性剂的用途,降低表面张力 改善润湿表面允许将乳化油在水中 保持颜料分散提供清洁 润滑油 防止静电 稳定泡沫,2023/11/5,1.1.2 表面活性剂概念,表面活性剂（surface active agent;surfactant):溶于溶剂后，具有使表面张力显著降低并可明显改变体系的表面状态的物质作用的一类重要的精细化学品。,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特点1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,1.2.1 表面和界面(surface and interface),界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。,常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。,严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。,2023/11/5,表面和界面(surface and interface),常见的界面有：,1.气-液界面(液体表面),2023/11/5,表面和界面(surface and interface),2.气-固界面(固体表面),2023/11/5,表面和界面(surface and interface),3.液-液界面,2023/11/5,表面和界面(surface and interface),4.液-固界面,2023/11/5,表面和界面(surface and interface),5.固-固界面,2023/11/5,1.2.2 液体的表面张力,对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。,表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。,体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；,但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。,2023/11/5,1.2.2 液体的表面张力,最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。,液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。,这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。,2023/11/5,从图看：分子在液相内部移动不需要作工，分子受到液相分子对它的引力要比气相分子对它的引力强，结果就产生了表面层液相分子受到指向液体内部并垂直于界面的引力，我们把单位面积上的引力称之为表面张力。,1.2.2 液体的表面张力,2023/11/5,如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。,这时,l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。,1.2.2 液体的表面张力,2023/11/5,在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。,将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。,把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g 表示，单位是Nm-1。,1.2.2 液体的表面张力,2023/11/5,如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。,(a),(b),由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，图(a)。,如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，图(b)，清楚的显示出表面张力的存在。,1.2.2 液体的表面张力,2023/11/5,由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间的作用力，对系统做功。,温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对系统作的可逆功，称为表面功。用公式表示为：,1.2.3 液体的表面功,2023/11/5,此可逆功也就是体系自由能的增量，因此,也就是说，为使液体增加单位表面所需做的可逆功，或恒温恒压下增加单位表面积体系自由能的增值，或单位表面上的分子比体积内部同量分子所具有的自由能过剩值，称为表面过剩自由能，简称表面自由能。,1.2.3 液体的表面功,2023/11/5,1.2.4 表面功与表面张力的异同点,异：物理概念、意义不同：,2)表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力。单位：N/m，dyn/cm。,1)表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加，可表示为：,3)表面张力和表面自由能分别是用力学方法和热力学方法研究表面现象时采用的物理量，具有不同的物理意义，却又具有相同的量纲。当采用适宜的单位时二者相同。,2023/11/5,1.2.5 表面张力的测定,自一毛细管滴头滴下液体时，液滴的大小与液体的表面张力有关，即表面张力越大，滴下的液滴也越大，二者存在关系：W=2R f,f 为修正系数，用已知 的液体来校正；界面边界线：圆周长 2 R,1.滴重法,2023/11/5,2.毛细管上升法,其原理是当毛细管插入液体时，管中的弯液面会上升或下降一定的高度h，测定h并按下式计算表面张力。=1/2Rg(h+R/3),R为毛细管半径；为界面两相的密度差；g为重力加速度。,1.2.5 表面张力的测定,2023/11/5,3.圆环法,圆环平放液面上，测定圆环被拉离液面所需的力。,（f 为修正系数，用已知 的液体来校正）,P=W环 2 R内 2 R外=W环 4 R平均,1.2.5 表面张力的测定,2023/11/5,4.最大泡压法,气泡形成中其底部较偏平,原因是底部水压(g h)值稍大些。,用毛细管插入液相表面，向内吹气（调节压力P 使气泡逐步形成，越慢越好并破裂）。,1.2.5 表面张力的测定,2023/11/5,（f 为修正系数，用已知 的液体来校正）,PS P P0=2R f,此时，P 应该略大于 P0+PS P P0+PS,1.2.5 表面张力的测定,2023/11/5,5.滴外形法,对于表面吸附速率很慢的溶液只能采取滴外形法，上述五种常用的测定表面张力的方法则不适用。,1.2.5 表面张力的测定,所谓滴外形法是利用液滴或者气泡的形状与表面张力存在一定的关系得特点，测定平衡表面张力及表面张力随时间变化的关系。,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特点1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,一切液体，在一定条件下均具有一定的表面张力，表面张力的大小受温度、压力和溶液浓度等因素的影响。通过实践，人们把各种物质的水溶液的表面张力和浓度关系归结为三类：,1.3.1 表面活性定义,2023/11/5,这类溶质有：无机盐、不挥发性的酸、碱，如 H2SO4、NaOH 等；,A）随浓度 c 增加而增加（近乎直线）。,解释：溶液中离子间静电引力的增加使增加体系表面积消耗的表面功增大。,1.3.1 表面活性定义,2023/11/5,B）随浓度 c 增加而下降，开始下降快一些，逐渐减慢。,这类溶质有：非离子型极性有机物，如：(可溶于水的)醇、酸、醛、酮、醚、酯类等。,1.3 表面活性,2023/11/5,这类溶质多为两亲有机物：有8个以上碳的有机酸盐、有机胺盐、磺酸盐、苯磺酸盐等。,C）初始低浓度时，随浓度增加急剧下降，但到一定浓度后几乎不再变化。,1.3.1 表面活性定义,2023/11/5,就降低界面张力这一特性而言，我们把能使溶剂界面张力降低的性质，称之为表面活性。上述2、3类物质是具有表面活性的物质。,1.3.1 表面活性定义,2023/11/5,若加入溶质后，溶质从溶液内部迁至表面，在表面富集的过程叫吸附。若加入溶质后，溶液的表面张力 下降，则溶质趋于在溶液表面富集，以更多地降低体系表面自由能，称为表面正吸附，反之为表面负吸附。,1.3.2 表面吸附现象,2023/11/5,1.3.3 表面活性剂和表面活性物质的异同点,2023/11/5,在稀水溶液中，可用量(0)/c 来表示表面活性剂的效率。,1.3.4 特劳贝（Traube）经验规则,对于直链同系物，每增加一个-CH2-，其表面活性可增加约 3.2 倍；,2023/11/5,甲酸、甲醛等（酸、醛）同系物中的第一成员，因其结构、性质的特殊性，它们对 Traube 规则的偏差较大。,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特征1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,1.4 表面活性分子结构特征,结构特征：双亲媒性（两亲结构）部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团，另一部分为亲水疏油的极性基。这两部分分别处于表面活性剂分子的两端。为不对称的分子结构。,2023/11/5,1.4 表面活性分子结构特征,极性基团,非极性基团,亲水基（憎油基、疏油基）,憎水基(亲油基、疏水基),2023/11/5,1.4 表面活性分子结构特征,2023/11/5,1.4 表面活性分子结构特征,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特点1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,按离子类型分类按亲水基的结构分类按疏水基的结构分类表面活性剂的特殊性,1.5.1 表面活性剂分类方法,2023/11/5,1.5.2 表面活性剂离子型分类,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。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。,2023/11/5,1.5.2.1 阴离子表面活性剂,2023/11/5,阴离子表面活性剂,R-OSO3Na硫酸酯盐,R-SO3Na磺酸盐,R-OPO3Na2磷酸酯盐,1.5.2.1 阴离子表面活性剂,2023/11/5,1.4.2.2 阳离子表面活性剂,2023/11/5,阳离子表面活性剂,CH3|R-N-HCl仲胺盐|H,CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3,CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3,1.5.2.2 阳离子表面活性剂,2023/11/5,1.5.2.3 两性表面活性剂,2023/11/5,两性表面活性剂,CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3,1.5.2.3 两性表面活性剂,2023/11/5,1.5.2.4 非离子表面活性剂,2023/11/5,R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚,非离子表面活性剂,R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺,R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺,R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型,1.5.2.4 非离子表面活性剂,2023/11/5,氟表面活性剂,表面活性剂,硅表面活性剂,聚氧丙烯,1.5.3 表面活性剂按疏水基分类分类,2023/11/5,高分子表面活性剂,表面活性剂,硅表面活性剂,生物表面活性剂,1.5.3 表面活性剂按疏水基分类,冠醚性表面活性剂,2023/11/5,第1章 表面活性剂概述,1.1 前言1.2 表面张力1.3 表面活性1.4 表面活性分子结构特点1.5 表面活性剂的分类1.6 表面活性剂的国内外发展状况,2023/11/5,1.6.1 世界表面活性剂工业的发展状况,世界表面活性剂工业是在第二次世界大战期间，由于制皂的油脂十分匮乏而得以发展，二战后形成独立的工业体系。由于表面活性剂具有优良的润湿、乳化、去污、分散及渗透特性，因此在人们的日常生活、纺织、造纸、医药、食品、石油开采与精制以及建筑等各方面得到广泛的应用，被誉为“工业味精”。,2023/11/5,1.6.1 世界表面活性剂工业的发展状况,从品种上讲，世界表面活性剂以阴离子表面活性剂为主，其中直链烷基苯磺酸盐一种就占市场份额的30%以上；其次是非离子表面活性剂，主要品种为脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚；阳离子表面活性剂和两性表面活性剂的消费量很少。目前，国外科技发达的国家的表面活性剂的品种向专用性、功能性高度发展，理论研究日趋完善。,2023/11/5,1.6.2 我国表面活性剂工业的现状及发展趋势,我国的制造工业起步于1903年，而表面活性剂行业的发展则始于20世纪50年代末60 年代初。1958年中国科学院植物保护研究所成功开发我国第一个表面活性剂蓖麻油聚氧乙烯醚，标志着我国表面活性剂工业的形成。,2023/11/5,1.6.2 我国表面活性剂工业的现状及发展趋势,目前，我国的表面活性剂工业与国外发达国家比存在较大差距，具体表现在：1.表面活性剂的品种少，产量低，不能满足 国内市场的需要；2.人均消费水平低；3.在产品结构上目前阴离子表面活性剂占绝对优势，高档次的阳离子表面活性剂和两性表面活性剂品种十分匮乏，在产量和市场份额上都低于美、日等国家；,2023/11/5,1.6.2 我国表面活性剂工业的现状及发展趋势,4.从产品的应用领域上看，工业用表面活性剂在表面活性剂总产量的比例远远低于发达国家水平；5.基础理论研究比较薄弱，缺乏复配和深加工的理论指导，生产工艺落后。,2023/11/5,1.6.2 我国表面活性剂工业的现状及发展趋势,今后，我国表面活性剂的发展主要有以下几个方面：1.调整产品结构，解决大宗表面活性剂品种无序引进和生产过剩问题；2.加强应用基础理论研究；3.将应用基础研究与应用开发有机结合起来，开发市场潜力；4.积极开发专用化和功能化表面活性剂；5.大力开发绿色表面活性剂和生物表面活性剂。,2023/11/5,内容回顾,1.何谓表面、表面活性、表面活性剂？2.表面活性剂的化学结构及性质是什么?3.表面活性剂有哪些分类方法？4.辨析题：具有表面活性的物质均可称为表面活性剂。,
