1、 学 年 论 文题 目： 表面活性剂的应用及发展 学 院： 化学化工学院 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 李帆帆 学 号： 201173020216 指导教师： 唐小华 表面活性剂的应用及发展西北师范大学化学化工学院李帆帆摘 要：表面活性剂广泛应用于洗涤剂、化妆品、食品、医药、石油和涂料等工业领域。考虑环保、安全和节能等因素，我国研究开发了高分子表面活性剂、特种表面活性剂和生物表面活性剂。未来几年内，将会出现新一代的表面活性剂产品，以此满足市场需求。表面活性剂将向着多样化、多功能、专用化、天然化和分子设计方向发展。关键词：表面活性剂；现状；方向；应用；发展趋势Development an
2、d application of surface active agentCollege of chemistry and chemical engineering, Northwest Normal UniversityLI FanfanAbstract: Surfactant is widely applied in such fields as detergent, cosmetic, food, medicine, oil and coating. Considering environmental protection, safety and energy saving, etc.,
3、 we have researched and developed high molecule surfactant, specialization surfactant and creature surfactant. In the next few years, a new series of surfactant products will be produced to meet the demands of the market. Surfactant has a tendency towards diversity, multifunction, specialization, na
4、turalization and molecule design.Key words: surfactant; current situation; direction; application; developing tendency 引言 1表面活性剂是从 20 世纪 50 年代开始随着石油化工业的飞速发展而兴起的一种新型化学品，是精细化工的重要产品。表面活性剂具有润湿、乳化、分散、增溶、起泡消泡、渗透洗涤、抗静电、润滑和杀菌等一系列优越性能，享有“工业味精”的美称。它几乎渗透到一切技术经济部门。当今，全世界表面活性剂产量已超过 1500 万吨，品种逾万种。随着世界经济的发展以及科学技术领
5、域的开拓，表面活性剂的发展更加迅猛，其应用领域从日用化学工业发展到石油、食品、农业、卫生、环境、新型材料等技术部门，起到改进工艺、降低消耗、节约资源、减轻劳动量、增加产量、提高品质等作用，大大提高生产效率，收到极佳的经济效益。目前，我国表面活性剂工业已有相当大的生产规模，设备和技术越来越接近国际水平，产品数量、种类和质量都有大幅度增长。但由于现有产品在国内外市场已趋于饱和，表面活性剂生产已成为薄利行业。此外，在表面活性剂给人们生活、工农业生产带来极大方便的同时，也给环境带来了污染，这是世界性问题，在我国尤应重视。治污问题的解决关系到我国能否在表面活性剂应用上走可持续发展道路。随着环境意识的增强
6、和环境法规的日益完善，人们呼唤安全、无公害产品，即“绿色产品” 。因此，研究表面活性剂发展及其趋势，对表面活性剂工业，乃至我国整体工业有着非常重要的意义。1.表面活性剂1.1 表面活性剂的概念定义：凡是在低浓度下吸附于体系的两相界面上，改变界面性质并显著降低界面能，并通过改变界面状态，从而产生润湿与反润湿，乳化与破乳，起泡与消泡以及在较高浓度下产生增溶作用的物质称为表面活性剂 1。1.2 结构特点表面活性剂之所以能在界面上吸附，改变界面性质，降低界面张力，主要是由分子结构所决定的。表面活性剂分子具有不对称性，它包含对水有亲和性的极性基团和对油有亲和性的非极性的基团烃链。这样在一个分子中既有亲油
7、基，又有亲水基，即构成了表面活性剂分子的两亲性。比较常见的亲油基：CH2 链，CF 链，聚氧丙烯链。比较常见的亲水基：COOH ，SO 3M，聚氧乙烯链。1.3 表面活性剂的作用 2：1.3.1 增溶：要求 CCMC （ HLB1318） ，临界胶束浓度（CMC）为表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度。当其浓度高于 CMC 值时，表面活性剂的排列成球状、棒状、束状、层状、板状等结构，增溶体系为热力学平衡体系。CMC 越低、缔合数越大，增溶量（MAC ）就越高。温度对增溶的影响：温度影响胶束的形成，影响增溶质的溶解，影响表面活性剂的溶解度 Krafft 点。离子型表面活性剂的溶解度随温度增加而急
8、剧增大，这一温度称为 Krafft 点 ,Krafft 点越高，其临界胶束浓度越小。昙点：对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂，温度升高到一定程度时，溶解度急剧下降并析出，溶液出现混浊，这一现象称为起昙，此温度称为昙点。浊点：水溶液升温时，随着温度的上升，结合水分子之间脱离，亲水性逐渐减弱，接着急转为不溶于水，以致从透明溶液转成白色浑浊液，此时的温度就叫“浊点” 。在聚氧乙烯链相同时，碳氢链越长，浊点越低；在碳氢链相同时，聚氧乙烯链越长则浊点越高。 1.3.2 乳化作用 3：亲水亲油平衡值（HLB）为表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲合力。根据经验，将表面活性剂的 HLB 值范围限定在
9、0-40，非离子型的 HLB 值在 0-20。 混合加和性： babaHLBHLB/：a 物质的亲水亲油平衡值L：b 物质的亲水亲油平衡值: a 物质的质量分数: b 物质的质量分数理论计算：HLB=（亲水基团 HLB 值）+ （亲油基团 HLB）-7 HLB：3-8 W /O 型乳化剂 ；HLB：8-16 O/W 型乳化剂 。1.3.3 润湿作用：要求 HLB 为 7-9。使用表面活性剂可以控制液、固之间的润湿程度。农药行业中，在粒剂及供喷粉用的粉剂中，有的也含有一定量的表面活性剂，其目的是为了提高药剂在受药表面的附着性和沉积量，提高有效成分在有水分条件下的释放速度和扩展面积，提高防病、治病
10、效果。在化妆品行业中，做为乳化剂。1.3.4 助悬作用：在农药行业，可湿性粉剂、乳油及浓乳剂都需要有一定量的表面活性剂，如可湿性粉剂中原药多为有机化合物，具有憎水性。只有在表面活性剂存在的条件下，降低水的表面张力，药粒才有可能被水所润湿，形成水悬液。 1.3.5 起泡和消泡作用：表面活性剂在医药行业也有广泛应用。在药剂中，一些挥发油脂溶性纤维素、甾体激素等许多难溶性药物利用表面活性剂的增溶作用可形成透明溶液，并提高其浓度。药剂制备过程中，它可作为乳化剂、润湿剂、助悬剂、起泡剂和消泡剂等。1.3.6 消毒、杀菌：在医药行业中可作为杀菌剂和消毒剂使用，其杀菌和消毒作用归结于它们与细菌生物膜蛋白质的
11、强烈相互作用使之变性或失去功能，这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度。根据使用浓度，可用于手术前皮肤消毒、伤口或粘膜消毒、器械消毒和环境消毒。 2. 工业应用状况2.1. 在洗涤工业中的应用表面活性剂是指能够降低溶液表面张力的化学品，是合成洗涤剂发挥去污作用的主要成分。它包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂。而洗涤剂是经过表面活性剂配制而成的，是以去污为主要作用的化学专用品，两者密不可分。合成洗涤剂占表面活性剂用量的 70%以上，同样，表面活性剂的增长和发展也主要取决于合成洗涤剂工业的需求。我国合成洗涤剂工业经过近几十年发展，已经形成一定规模，在市场竞争中逐步
12、发展壮大，产品不断更新换代，品种、产量不断增加，品质有明显提高。尤其是近 20 年来，随着国外大量先进技术、装置的引进，我国合成洗涤剂工业得到迅猛发展。2.2. 在化妆品工业中的应用 4表面活性剂在化妆品中主要功能为乳化、分散、起泡、清洗和柔软等作用，它对产品要求更高、更严格。化妆品活性成分通过皮肤吸收后影响机体新陈代谢，起到美容作用。吡咯烷酮羧酸钠(PCA)是化妆品保湿因子，有抗衰老与去皱作用。因此，PCA 被广泛应用于高档化妆品中。多乳状液体被视为一种最为合适的化妆品体系,它可以将有效成分分别溶入多乳状液体系的不同组分中,并对各有效成分进行缓释。作为乳化剂的表面活性剂在化妆品乳液应用上非常
13、重要，主要集中在非离子表面活性剂和高分子乳化剂上，化妆品乳液包括双重乳液：W/O、O/W；液晶相-多重乳液： W/O/W、O/W/O、微乳液等。主要产品有：雪花膏、冷霜、奶液、润肤露和清洁乳等，这一领域不断有新产品问世。2.3. 在食品工业中的应用表面活性剂在食品工业中主要是用作乳化剂、增稠剂、消泡剂、糖助剂、润滑剂、抗粘剂、清洗剂和水果保鲜剂等。它广泛应用于各类食品的生产，在提高食品质量、开发食品新品种、改进生产工艺、延长食品储藏保鲜期以及提高生产效率等方面有显著效果。2.4. 在制药工业中的应用近些年，表面活性剂在制药工业中应用越来越广泛，可用作药物载体、乳化剂、分散剂、润湿剂以及用作治疗
14、药剂和杀菌消毒剂等。用作药物载体的表面活性剂有吐温型表面活性剂、多元醇脂肪酸酯、甘油脂肪酸酯、脂肪酸聚氧乙烯酯和酰胺类等。用作药物乳化剂的表面活性剂，主要是酯类聚氧乙烯加成物和醚类聚氧乙烯加成物，如吐温 40、吐温 80、聚氧乙烯失水山梨醇油酸酯、硬脂肪酸、聚氧乙烯酯、磷酯、皂角苷和氨基酸型表面活性剂和卵磷脂等；用作药物增溶剂的表面活性剂主要有吐温 80、聚氧乙烯甘油单蓖麻油酸酯、高分子聚醚型两性表面活性剂等；用作润湿的表面活性剂有二辛基磺基琥珀酸酯钠盐、吐温 80、卵磷脂、磷脂酰胆碱等；直接用作医疗和杀菌的表面活性剂，主要是阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和环氧乙烷衍生物、非离子表面活性剂等
15、，如烷基苄基二甲基氯化铵、环氧乙烷缩合物、月桂醇聚氧乙烯醚、氨基羧酸型两性表面活性剂。表面活性剂可增溶药物，使药物性能稳定，提高生物利用度，发挥更有效的作用。2.5. 在石油工业中应用 5表面活性剂作为油田化学品广泛用于钻井、固井、采油、油气采集输送、三次采油和油田水处理等中，对于保证钻井安全、提高原油效率、油品质量、生产效率以及设备防护、降低采集输送成本和防止环境污染等方面起着重要作用。当今，表面活性剂已成为油田开发中必不可少的油田化学品。我国油田化学品经过 30 多年的发展，成为门类比较齐全、品种数量颇具规模的新兴产品。这些化学品的开发和应用在石油工业中发挥了重要作用，取得很大的技术经济效
16、益，在一定程度上促进了我国整体工业的强劲发展。2.6. 在涂料工业中的应用 6表面活性剂在涂料中的应用十分广泛，它不但降低了涂料成本，还提高了涂料的多项性能。表面活性剂在涂料配制中还可以对颜料等涂料组分进行表面处理，促使各个组分能够更好地分散，以制得较为均匀分散的体系。表面活性剂在涂料工业中用量并不大，却能够显著改进涂料性能、提高产品质量、赋予涂料特殊功能，而且还可以改进涂料生产工艺、改进涂料施工条件，因而能获得具有特殊性能的新品种涂料。当今涂料中表面活性剂应用水平已成为衡量涂料生产技术水平的显著标志。表面活性剂还广泛应用于农药、纺织、合成纤维、化学纤维、造纸、制革、橡胶和塑料及金属加工等诸多
17、工业领域中。2.7 表面活性剂用于饲料添加剂由于表面活性物分子结构中同时具有亲水基团和疏水基团，且两集团的结构及连接方式的多种多样，使其种类繁多。又根据表面活性物在水溶液中离解表面离子电荷的不同，可使其具有多种独特的物理化学性能，因此在饲料添加剂领域中，表面活性剂也是一批庞大的成员，多用作乳化剂，稳定剂，润湿剂，分散剂，降凝剂，增溶剂，调节剂，抗静电剂，清洁剂，保藏剂及螯合剂等。主要功能为改善和稳定饲料加工过程中物料的物理性质或组织状态，以求得饲料及饲料添加剂产品质量稳定，均匀，达到保证饲料品质的目的，有时还兼有营养，杀菌，防治疾病的作用。抗生素饲料添加剂可以促进家畜生长 7，表面活性剂在饲料
18、中的应用已得到快速有效的发展。2.8 表面活性剂在金属清洗方面的应用 8金属的洗涤工作不包括机械行为，而是将油性金属板简单的悬挂在装满被测试溶液的烧杯中，在所需温度下静置一段时间，则可使金属得到有效的洗涤。这种浸透的方法用途广泛而且能有效的清洗金属，充分的表现出了金属清洗混合物的化学清洗能力。2.9 在大气除尘技术中的应用 表面活性剂可以除尘，起到净化空气的作用 16。在湿式法除尘过程中,含尘气体与液体接触的程度对除尘效果有较大的影响。悬浮于气体中的 5um 以下(特别是 1m 以下) 的尘粒和水滴表面均附着一层气膜，很难被水润湿而使处理效果降低。为了增加尘粒在液体中的分散程度和润湿性,改善除
19、尘效果,在实际操作过程中采用的不是纯水而是含有各种阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的洗涤水 19 ,尘粒被润湿和分散的效果有了很大提高。阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂有很好的润湿性能,而且它们可以吸附在尘粒的狭缝中产生劈分压力,增加了狭缝的深度,减少粒子碎裂所需的机械能。加入阴离子表面活性剂后可使尘粒获得相同负电荷,增加尘粒之间的静电斥力,从而易分散到液体中。在煤矿采煤工作地面用高压喷嘴将浓度为 0.01%0.5%含 AE 的水进行喷洒,可除去95%的粉尘 21 。在爆破尘毒的治理中,用表面活性剂后其除尘率提高了31.59%22 。3.我国表面活性剂的发展方向3.1. 高分子表面活性剂所
20、谓高分子表面活性剂是指相对分子质量在千数以上且具有表面活性的物质。高分子表面活性剂在分散稳定性、凝聚功能、流变特性、成膜性、生物相容性以及粘结性等方面独具优势。我国已能根据水质和水垢的种类，通过分子设计合成出达国际一流的表面活性剂 9。合成高表面活性兼具一定功能的高分子表面活性剂,成为近年来表面活性剂合成研究的热点课题之一。通过分子设计开发出兼具破乳、脱水、降凝、降粘等多功能破乳剂及适合处理稠油开采水和三采聚驱、ASP 强化采油用水的阳离子破乳剂和新型多功能破乳剂，是具有国际竞争能力且有自主知识产权的科研成果，部分成果已向国外转让。今后研发重点是适用于海洋采油，稠油采油的破乳剂。3.2. 特种
21、表面活性剂特种表面活性剂是指含氟、硅、硼等的两性表面活性剂，也是研发重点。含氟表面活性剂与普通表面活性剂相比，突出的性能是高表面活性、高耐热稳定性、高化学惰性，既憎水又憎油。含氟表面活性剂无毒或毒性非常小，这也是它的优势。在设计分子时采用表面活性剂复配技术，使含氟表面活性剂混合体系的综合性能显著提高。含硅表面活性剂不仅具有耐高温、耐气候老化、无毒、无腐蚀及较高生理惰性等特点，还具有较高表面活性、乳化、分散、润湿、抗静电、消泡、稳泡等性能，是仅次于含氟表面活性剂的重要特殊表面活性剂品种。如聚硅醚类表面活性剂，在不同温度范围内，同一表面活性剂既可用作消泡剂，也可用作稳泡剂，具有重要的应用价值。以有
22、机季铵盐为代表的阳离子含硅表面活性剂还具有较强杀菌能力，对人体呈生理惰性，不刺激皮肤。硼表面活性剂由硼酸和醇类合成，由于硼原子和氧原子在分子中形成半极性键，又称其为半极性有机硼表面活性剂。硼表面活性剂具有优良的杀菌，防腐， ，抗磨，阻燃，抗静电，无毒无公害，易生物降解等优点，应用前景广阔。3.3. 生物表面活性剂考虑到环境因素，我国科研部门正在积极开发可降解的生物表面活性剂。如氨基酸型表面活性剂属于以生物物质为基础的表面活性剂，可通过生物技术或化学方法使用可循环的原材料 10(氨基酸、糖类、植物油)来合成。氨基酸型表面活性剂 10不仅对环境和生物的安全性高，对头发和皮肤作用温和，刺激性小、低毒
23、、去污能力强、生物降解性能好，而且还具有与其它各种表面活性剂相溶性较好的性能以及具有良好的抑菌和杀菌功能。国外对氨基酸型表面活性剂的研究非常积极，不少研究成果已经实现商品化。由于国内对氨基酸型表面活性剂的研究起步较晚且相对落后，目前被广泛使用的表面活性剂大多数仍然是依赖进口来满足市场迫切需求。因此，我国系统研究和开发氨基酸型表面活性剂将具有很大的社会效益。3.4 新一代表面活性剂 Gemini目前已经合成的低聚表面活性剂包括二聚体、三聚体和四聚体等，其中最引人注目的是二聚体，结构示意图见图 1，二聚表面活性剂最早被合成于 1971年，后因其结构上的特点而被形象地命名为 Gemini(英文是双子
24、星之意)表面活性剂。图 1 二聚体的结构示意 表面活性剂 Gemini(或称 dimeric)是由两个单链单头基组成。普通表面活性剂在离子头基处通过化学键联接而成，因而阻抑了表面活性剂有序聚集过程中的头基分离力，极大地提高了表面活性。当前为提高表面活性而进行了大量的尝试，如添加盐类、提高温度或将阴离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合物相比较，Gemini 表面活性剂是概念上的突破，因而被誉为新一代的表面活性剂。 在 Gemini 表面活性剂中，两个离子头基是靠联接基团通过化学键而连接的，由此形成了两个表面活性剂单体离子相当紧密的连接，致使其碳氢链间更容易产生强相互作用，即加强了碳氢链间的疏水结
25、合力，而且离子头基间的排斥倾向受制于化学键力而被大大削弱，这就是 Gemini 表面活性剂比单链单头基表面括性剂，具有更高表面活性的根本原因。另一方面，在两个离子头基间的化学键联接不破坏其亲水性，从而为高表面活性的 Gemini 表面活性剂的广泛应用提供了基础。通过化学键联接方法提高表面活性和以往应用的物理方法不同，在概念上是一个突破。 Gemini 表面活性剂的优良性质： 实验表明，在保持每个亲水基团联接的碳原子数相等条件下，与单烷烃链和单离子头基组成的普通表面活性剂相比，离子型 Gemini 表面活性剂具有如下特征性质 11： (1)更易吸附在气液表面，从而更有效地降低水溶液表面张力。 (2)更易聚集生成胶团。 (3)Gemini 降低水溶液表面张力的倾向远大于聚集生成胶团的倾向，降低水溶液表面张力的效率非常突出。 (4)具有很低的 Krafft 相转移点。 (5)对水溶液表面张力的降低能力和降低效率而言，Gemini 和普通表面活性剂尤其是和非离子表面活性剂的复配能产生更大的协同效应。 (6)具有良好的钙皂分散性质。 (7)是优良的润湿剂。 从理论上讲，在极性头基区的化学键合阻抑了原先单链单头基表面活性剂
