表面活性剂的功能与应用

表面活性剂的功能与应用 表面活性剂的功能与应用 课 程 教 案 教 案 内 容 第一章 绪 论 一、基本要求: 1.了解表面活性剂的概念和发展简史; 2.熟悉表面活性剂的分类和主要性质; 3.掌握特劳贝规则及其应用; 4 .掌握两性离子表面活性剂的特点; 5.熟悉非离子表面活性剂的亲水基团的特征，了解EO数的含义; 6.了解新型表面活性剂APG的结构式、特性及其应用; 7.掌握非离子表面活性剂的“浊点”现象及其规律。 二、重点难点 : 1.重点:表面活性剂的分类和主要性质;劳贝规则及其应用;掌握两性离子表面活性剂的特点;非离子表面活性剂的亲水基团的特征;非离子表面活性剂的“浊点”现象及其规律。 2.难点:各类表面活性剂的结构特点、主要性质和主要作用。 三、主要教学设计(方法、手段等) 多媒体教学;以课堂讲授为主，以课堂讨论为辅。 四、学时分配: 6学时 五、参考资料及补充习题:(见本章末) 表面活性剂的功能与应用 课 程 教 案 教 案 内 容 教学设计 第一章 绪 论 第一节 课 程 简 介 表面活性剂是精细化工领域的重要产品。它具有的润湿，渗透与防水，乳化与破乳，起泡与消泡，分散与絮凝，洗涤(抗静电，润滑和加溶等一系列独特的应用性能。 因此对改进生产工艺，提高产品质量，节约能源，降低成本，提高生产率，增加附加值等方面发挥了巨大作用。故素有“工业味精”之美称。 表面活性剂作为洗涤用品的主要活性物从肥皂开始已有100多年的历史。它的应用领域从家用洗涤剂扩展到工农业务部门，例如，石油勘探与开采，采矿，食品，农业，森林，交通，建材，环保，医药等。它几乎渗透到一切生产及技术经济领域。因此学习和掌握表面活性剂的基础理论和应用性能是很有必要的。 表面活性剂作为洗涤用品的主要活性物从肥皂开始已有100多年的历史。它的应用领域从家用洗涤剂扩展到工农业务部门，例如，石油勘探与开采，采矿，食品，农业，森林，交通，建材，环保，医药等。它几乎渗透到一切生产及技术经济领域。因此学习和掌握表面活性剂的基础理论和应用性能是很有必要的。 本课程主要讲述内容共包括四章，第一章为与表面活性剂功能有关的表面化学基础知识。第二章为表面活性剂润湿功能，第三章为表面活性剂的起泡与消泡作用，第四章为表面活性剂的洗涤作用，第五章为表面活性剂的其它功能。教材的其它内容，可根据具体情况自学 。 第二节 表面活性剂 表面活性剂是一大类有机化合物，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;表面活性剂具有两种特性:a(活跃于表(界)面;,.改变表(界)面张力。 我们可以说:表面活性剂是这样一种物质，它活跃于表面和界面上，具有极高的降低表、界面张力的能力和效率;在一定浓度以上的溶液中能形成分子有序组合体，从而具有一系列应用功能。 表面活性剂的这些特性不仅在生产和生适中有重要应用，而且与生命活动本身密切相关，成为研究生命现象的奥秘和发展仿生技术极有价值的体系，因而受到广泛的重视。 人类认识表面活性剂是从洗涤剂开始的。最早使用的是皂，即羧酸的碱金属盐类。我们中华民族有着独立的、辉煌的古代文明，最晚在周代(公元前800年 左右)就知道用草木灰洗衣服，(礼记)中就写有“冠带垢和灰请漱，衣裳垢和灰请擀”，记录了前人用草木灰洗涤衣帽的实践。到魏晋时期有了两种独特的洗涤剂:皂角和猪胰。大约在1890年上海才有了第一家生产肥皂的工厂。不过，这两种洗涤用品确有其先进之处。20世纪80年代和90年代;国际表面活性剂和洗涤剂行业有两个新潮:一为使用新型表面活性剂烷基多苷。二是使用多种酶制剂。例如脂肪酶、蛋白酶等。从世界范围来说，直到1850年，肥皂一直是用手工方法大量生产并使用的惟一表面活性剂。正是在19世纪中叶，一方面肥皂开始实现工业化大生产，另一方面也出现了化学合成的表面活性剂。 发展出第一个磺化油——土耳其红油。这是蓖麻油与硫酸反应的产物。蓖麻油酸的分子式为CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH ,H(CH2)7COOH。此产品之所以叫做土耳其红油，是因为它首先被用作染羊毛地毯的土耳其红染料(茜草)的染色助剂。大约到19世纪末20世纪初，在精制石油时用硫酸处理石油得到蜡和萘的磺化混合物，呈蓝黑色，统称为石油磺酸。其中溶于酸中的呈绿黑色，用碱中和得到石油磺酸皂，具有良好的水溶性，被称为绿油。这是第一个从矿物原料制得的洗涤剂。 第一次世界大战期间，德国油脂缺乏，由于煤炭产量颇丰，于是转向开发煤焦油衍生物。发展了短链烷基萘磺酸盐类表面活性剂(拉开粉) 1920--1930年期间脂肪醇硫酸化制成烷基硫酸盐变得普遍起来。20世纪30年代，长链烷基芳基磺酸盐出现于美国。两者皆有良好的洗涤性能。第二次世界大战结束后，烷基苯磺酸盐几乎独占洗涤剂领域，而烷基硫酸盐则主要用于香波和化妆品等个人卫生用品。 第一次世界大战德国战败后，开发出乙二醇衍生物和聚乙二醇HO(CH2CH20),H 衍生物产品。 在二次世界大战以后，从石油得到了廉价的乙烯，并发展了乙烯氧化生成环氧乙烷和聚氧乙烯化技术，非离子表面活性剂的生产和应用迅速发展。 第二节 表面活性剂科学 表面活性剂科学可分为两大部分:表面活性剂合成化学和表面活性剂物理化学。 前者研究各种表面活性剂的合成方法和生产技术。迄今已发展出离子型、非离子型、两性型、混合型、聚合型、等几百种类型。对同一产品还发展了使用不同原料的多种合成路线和方法。 表面活性剂物理化学研究表面活性剂性能、作用的规律 和原理。它起始于表面活性剂溶液表面张力的研究，著 名的Gibbs吸式。899年，德国科学家Krafft就报导特 殊溶度现象，所谓的Krafft点。McCain和他的学生们 提出了胶团假说，创造了全新的科学名词:胶团 (micelle)和加溶(solubilization) 表面活性剂溶液的结构，代表着从低级到高级、从简单到复杂的物质世界的构成中不可缺少的一环。 表面活性剂胶团、液晶、囊泡、单分子膜、双分子膜等两亲分子有序组合体为此提供了最好的模型体系，同时也为应用仿生方法发展高新技术提供了最佳模拟体系。 第三节 表面活性 (1)浓度?,表面张力?。如:NaCl Na2SO4 KOH NaOH KNO3等无机酸、碱、盐溶液。 (2)浓度?,表面张力?。如:有机酸、醇、醛、酮、醚、酯等极性物质溶液。 (3)随浓度增大，开始表面张力急剧下降，但到一定程度便不再下降。如:肥皂、长链烷基苯磺酸钠等溶液。这些物质称为表面活性剂。 特劳贝规则:即每增加一个-CH2-基团时，其π/C 约为原来的三倍。 第四节 表面活性剂的化学结构特点 具有双亲分子结构 只有碳氢链在8,20碳原子的双亲分子才能 叫为表面活性剂 第五节 表面活性剂分类及性质 按离子类型分类 按是否离解分类 按溶解性分类 阴离子型表面活性剂 阳离子型表面活性剂 离子型表面活性剂 水溶性表面活性剂 两性离子型表面活性剂 非离子型表面活性剂 油溶性表面活性剂 还可以以分子量、功能等分类。 一(阴离子型表面活性剂 日前阴离子表面活性剂的主要类别还是磺酸盐和硫酸酯盐两大类。 二、阳离子型表面活性剂 但溶于水时，其亲水基呈现正电荷。亲水基主要为碱性氮原子，也有磷、硫等。 含氮阳离子型表面活性剂主要为胺盐及季铵盐。 具有较强的杀菌消毒作用，广泛地用作医用消毒剂等，其他用作金属防腐剂，矿石浮选剂、头发调理剂、沥青乳化剂等。 阳离子型表面活性剂有以下几种主要类型。 (1)高级脂肪胺 (,)季铵盐型 还有一些其它的含氮类型,,, 三、两性离子型表面活性剂 两性离子型表面活性剂是在同一分子中既含有阴离子亲水基又含有阳离子亲水基的,,,。最大特征在于它既能给出质子又能接受质子。 两性,,,的一些特点: (1)对织物有优异的柔软平滑性和抗静电性。 (2)有一定的杀菌性和抑霉性。 (3)有良好的乳化性和分散性。 (4)与其他类型表面活性剂有良好的配伍性。会产生协同增效效应 (5)可以吸附在带负电荷或正电荷的物质表面上，有一定的润湿性和发泡性。 (6)低毒性和对皮肤、眼睛的低刺激性。 (7)极好的耐硬水性，甚至在海水中也可以有效地使用。 (8)良好的生物降解性。 因此在日用化工、纺织工业、染料、颜料、食品、制药、机械、冶金、洗涤等方面的应用日益扩大。 一般按整体化学结构分类: 四、非离子型表面活性剂 与离子型表面活性剂不同，非离子表面活性剂的亲水基在水中不离解成离子状态，，主要是由含氧基团组成的，主要是醚基和羟基，其亲水性是,O,与水中H原子很快形成氢键，使其能溶于水，醚基和羟基越多，亲水性越强，亲油基是由具有活泼氢原子的疏水化合物如高级脂肪醇、烷基酚，脂肪酸、高级脂肪酰胺、脂肪酰胺等物质。目前用量最大的是高级脂肪醇。亲水基的原料为环氧乙烷、聚乙二醇、单乙醇胺、二乙醇胺等。 非离子表面活性剂显著特点是具有浊点，温度升高后变混浊，这是氢键断裂之故，一般来说，亲油基相同时，加成的环氧乙烷分子数越多，亲水性越强浊点越高，反之，加成的环氧乙烷数相同时，亲油基的碳原子数越多，浊点越低。 非离子表面活性剂，由于没有离子解离，故在酸性，碱性、及金属盐类溶液中稳定，与其它的表面活性剂配伍性好，HLB值可以人为调整，低浓度时，表面活性好，泡沫低，毒性小，主要用于配制农药乳化剂、纺织业、印染业和合成纤维生产的助剂，原油脱水破乳剂等。 1. 聚氧乙烯(聚乙二醇型)型 这类非离干刮表面活性剂一般随烷基链的增长其熔点和疏水性相应地增加，氧乙烯基单元数增加，则水溶性增加。当其溶于水时，水分子以氢键与聚氧乙烯醚的氧原子连结，此时水分子的氢原子连列醚键氧原子的“自由电子对”上。 从空间状态考虑，醚的氧原子只有在聚氧乙烯链呈“之”字型排列时，才有可能结合4—6个水分子。洛布根据 x射线检查聚氧乙烯链具有“之”字形和直角折线形相重叠的结构。 EO加成数约在10,12mol的范围内润湿力最高 按憎水链碳原子数N和环氧乙烷加成数n间的关系，聚氧乙烯化合物在水中的溶解性有如下经验规则: 最小溶解性:n = N/3;中等溶解性:n = N/2 优良溶解性:n = 1,1.5N (1)脂肪醇聚氧乙烯醚 RO(C2H4O)nH (2)聚氧乙烯烷基酚醚 R-C6H5-O(C2H4O)nH (3)聚氧乙烯脂肪酸酯 RCOO(CH2CH2,),H (4)聚氧乙烯烷基胺 聚氧乙烯烷基胺具有非离子与阳离子的性质(随着聚氧乙烯链的增长，逐渐由阳离子型向非离子性转化。当用无机酸中和时，它们会增加水溶性。 (5)冠醚 冠醚主要是由聚氧乙烯环化而形成的，其性质类似非离子表面活性剂。 可依据冠醚环的大小与不同离子半径的金属离子相结合，形成可溶干有机溶剂相的络合物的特性，因此常作为相转移催化剂。 2(脂肪酸多元醇酯 (1)脂肪酸甘油酯 (2)山梨糖醇酐脂肪酸酯(Span)和聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯(Tween) 应用:失水山梨醇酯是油溶性乳化剂、增溶剂，它低毒、无刺激性，且有利于人们的消化，因而广泛用于食物、饮料 及医药生产中的乳化及增溶。 失水山梨醇酯不溶于水，在许多情况下限制了它的应用，但如果与其他水溶性表面活性剂复配，具有良好的乳化力。尤其与失水山梨醇脂肪酸酯的聚氧乙烯醚复配最为有效。 失水山梨醇聚氧乙烯醚酯是重要的多元醇聚氧乙烯醚羧酸酯，这类产品的商品名为吐温(,,,,,) 失水山梨醇聚氧乙烯醚酯(吐温)是乳化剂、增溶剂、抗静电剂、润滑剂，应用于纺织工业、食品加工和化妆品制备，与甘油酯、失水山梨醇酯混合使用，可改善HLB值，得到良好的乳化性能。 (3)糖酯 葡萄糖、蔗糖等均坫打多个羟基可与脂肪酸酯化化得到糖酯。 糖酯大都无毒(无刺激性，无味， 起泡性差，生物降解性好。可用作低泡沫洗涤剂及食品和医药的乳化剂。 (4)烷基糖苷(APG) 烷基糖苷被誉为是一种新型世界级非离子表面活性剂，结构式: APG有较高的界面活性不存在浊点具有高温稳定性。具有优良的洗涤性，很强的泡沫力，润湿乳化性及分散稳定性。 APG的突出优点是它的无毒性、对皮肤的低刺激性、生物降解性等优于现有的任何一类表面活性剂。因此，它正受到洗涤业、化妆业、食品加工业以及制药业等众多领域的特殊青睐。并且由于它的易漂洗无斑痕的特性，还特别适宜于做餐具洗涤剂、瓶洗剂等。 本章附加思考题: 1(表面活性剂的化学结构及特点是什么,(P21) 2(表面活性剂有哪些类型举例说明。 3(表面活性剂的水溶液的特点是什么, 4(何谓表面活性, 5(简述Traube规则的内容。 6(试述阳离子SAA的主要用途。 7(两性离子SAA有什么特点。 8(非离子SAA的亲水基由什么构成，EO数是什么含义, 9(写出APG的结构式，并说明其特性以及在洗涤剂中的作用。 10(请解释含氟SAA“三高二憎”的特点。 11(AOS、LAS、Span、Tween、AES(解释代号) 12(解释“Kraff”点和“浊点”的含义和规律。 13(什么是SAA的HLB值，有什么作用,