表面活性剂.ppt
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1、2 表面活性剂,一、表面活性剂发展概述 二、表面活性剂的基本性质和物理作用 三、表面活性剂的分类 四、合成洗涤剂 八、习题,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 非离子表面活性剂,表面活性剂发展概述 表面活性剂的演变过程: 我国古代已用,古埃及用皂草液来洗衣服,这其中是天然的表面活性剂在起作用这种物质层具有清洗功能,但一旦进入人体生化循环体系,就会对人有一定的毒性 中世纪就出现了肥皂的洗涤功能。此后,直到19世纪,肥皂一直是唯一人工生产的表面活性剂,本世纪初,肥皂对水质硬度和酸度的敏感性引起重视 ,1917年德国化学家刚什尔成功合成烷基萘磺酸盐,它具有很高的发泡性和润湿性。
2、 30年代,德国化学家们广泛进行表面活性剂的研制,从而发现了数百种当时认为是新的表面活剂,这就是近代表面活性剂化学的创始时期。 第二次世界大战后,石油化工的兴起提供了大量的在当时来说是较为廉价的原料。原料的变更,便使表面活性剂处于一个迅速发展的时代,出现了石油化工资源和天然再生资源的中线对峙局面。,近年来国际、国内市场对精细化工产品需求增加的情况,专定们可重点发展的精细化工八大类产品中,其中有一类就是以动物、植物合成表面活性在表面活性化学中。 皂角肥皂-烷基萘磺酸盐(MF,NNO),土耳其红油-合成表面活性剂-合成与天然表面活性剂共同发展,表面现象,表面张力 一种液体与其它物体接触时,液体内部
3、分子的受力与液体表面分子的受力是不相等的。如液体与容间接触时,液体内部分子对液体表面层的吸引力大于空气对液体表面层的吸引力,因此,液体的表面就产生内向聚集的现象,液体保持这种现象的力称为表面张力。20:水 72.75N/m2,苯:28.88N/m2),表面活性剂与表面张力,分类: 1.无机酸、碱、盐等 2. 有机酸、醇、醛等 3. 肥皂、长链烷基 苯磺酸钠等(表面活性剂),CMC Critical micelle concentration,表面活性剂的演变过程,表面活性剂 凡能改变(通常为降低)液体表面张力或二相间界面张力的物质称为表面活性剂或界面活性剂. 表面活性 改变表面张力的性能称为表
4、面活性,2.2 表面活性剂的基本性质和物理作用 一、表面活性剂的分子结构及表示法,具有两亲性结构的有机化合物(如:R-COONa),亲 油 基,亲水基,亲水基,亲水基,亲水基,亲水基,亲水基,亲水基,亲 油 基,亲 油 基,亲 油 基,亲 油 基,亲 油 基,亲 油 基,表面活性剂是一种有机化合物,其分子结构具有两种不同性质的基团,两种分子: 一种是不溶于水的长碳链烷基,称为 油基或疏水基、憎水基。 另一种是可以溶于水的基,称为亲水基。,二、表面张力与表面活性剂浓度的关系 开始时,随着表面活性剂浓度增加,表面张力急剧下降,到达某一值时,则表现出与浓度关系不大,表面张力大致保持恒定。 极稀的深液
5、 表面活性剂浓 度稍有上升溶液,临界胶束深度cmc ,表面活性分子形成胶束的表面活性剂最低浓度表面活性剂在表面形成单分子膜,与容器完全隔绝,表面张力不再下降,内部形成胶束 大于临界胶束浓度的cmc的溶液。 内部形成更多胶束,表面张力不再呈降低趋势,基本恒定。 表面活性剂的cmc浓度较低。对阴离子表面活性剂。,三、表面活性剂的基本性质 双亲媒结构 溶解度 界面吸咐:达到平衡时,表面活性剂溶液在界面上浓度大于在溶液整体中浓度。 定向排列:表面活性剂分子在界面上定向排列成分子层 形成胶束 多功能特性,表面活性剂的种类的影响,其它性能的变化,亲水亲油平衡值 HLB(hydrophile-lipophi
6、le balance),HLB表示表面活性剂的亲水性 HLB的计算和测定是经验性的,但有时有一定规律。 石油0,油酸1,油酸钾20,十二烷基硫酸钠40.其它:通过乳化实验对比乳化效果,分别排于 1-40之间,HLB的表示方法 1.以符号表示: 最强亲水性:HH 强: H 中等:N 亲油性:L 最强亲油性:LL 2. 以数值表示: 亲水性最强:40 最弱表面活性: 1,HLB与用途形态的关系,胶束与胶束量,胶束量表面活性剂分子量缔合度,溶解性与温度的关系,临界溶解温度(克拉夫特点),相当于水和固体表面活性剂的熔点。此时溶解度突然增大。它是离子型表面活性剂的特性常数; 浊点聚乙二醇型表面活性剂(氢
7、键):非离子型表面活性剂加热到一定温度,溶液浑浊,冷却后透明的温度.,四、表面活性剂的主要物理作用 : 表面活性剂的作用性能有:洗涤、润湿、乳化渗透、分散、柔软、平滑、防水、防蚀,抗静电,杀菌和消毒等 上述性能可加工成如下助剂: 洗涤剂、洗净剂、起泡剂、消泡剂、乳化剂、分散剂、破乳剂、增溶剂、上光剂、消光剂、平滑剂、止滑剂、柔软剂、固色剂、缓染剂、防水剂、阻燃剂、抗静电剂、浮选剂、防锈剂、防蚀剂、杀菌剂 应用的工业部门有 : 纺织纤维工业、金属及机械工业、纸及纸浆工业医药、香料和化妆品工业乳胶、涂料和颜料工业、农药工业、皮革工业、食品工业、矿产工业、建筑工业、油墨工业,1、润湿和渗透作用: 润
8、湿:固体表面与液体接触时,原来的气一固界面消失,形成新的液一固界面:这种现象称为湿润. 2、乳化作用、扩散作用和增溶作用 (1)乳化作用、扩散作用 使非溶性物质在水中是均匀乳化或分散状态的现象,称为乳化作用或扩散作用。 能使一种液体(如油)均匀分散在水或另一种液体中的物质称为乳化剂。 能使一种固体显微粒均匀分散在一液体或水中的物质称为扩散剂,(2)增溶作用 增溶作用与乳化、扩散作用不同,它是当溶液中表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时,胶束能把油及固体微粒吸聚在疏水基端,即油及固体进入胶束内部,或难溶于水的有机物质,使微溶性或不溶性物质增大溶解度的现象称为增溶作用,增溶、乳化、分散,3、发泡作用
9、和消泡作用 在气液相界面间形成由液体膜包围的泡孔结构,分子的亲水基向内,疏水基向着外部排列,最后形成双分子膜结构。泡沫生成原理:如对活性剂溶液搅拌,空气进入溶液,从而形成气泡,以此亲水基向外,疏水基向内,靠泡的浮力溶液面后,形成双分子溥膜而使界面间表面张力下降的现象称为发泡作用。 消泡和发泡作用是一对矛盾,能降低溶液和悬浮液表面张力,防止泡沫形成或使原有泡沫减少或消失的表面活性剂称消泡剂,消泡是使其他物质进入双分子完向膜,并破坏其办学平衡而区分破坏泡沫的方法。,发泡与消泡,气泡稳定因素: 1、降低表面张力; 2、泡沫膜有一定强度和弹性; 3、要有适当的表面粘度,4、洗涤作用 表面活性剂降低了界
10、面间的表面张力,从而产生润湿、乳化、扩散和抗再粘附等多种作用,洗涤就是这些作用的综合结果,洗涤功能是表面活性剂最主要的功能,5 矿物浮选,6 水泥减水剂,2.3 表面活性剂分类 (按亲水基带电性:亲水基团较亲油基团影响大),亲水基,亲 油 基,1 阴离子表面活性剂,羧酸盐型 R-COONa 硫酸盐型 R-OSO3Na 磺酸盐型 R-SO3Na 磷酸盐型 R-OPO3Na Na+,2 阳离子表面活性剂,胺盐型离子表面活性剂 伯胺盐 R-NH2HCl 仲胺盐 R-NH(CH3)HCl 叔胺盐 R-N(CH3)2HCl 季铵盐型离子表面活性剂 R-N(CH3)3Cl,3、两性离子型表面活性剂 氨基酸
11、型: 甜菜碱型 : 咪唑型衍生物:,4、非离子型表面活性剂 聚氧乙烯型(聚乙二醇型、醚型): 多元醇型(酯型): 醚酯型 : 含氮型: 糖苷: 聚醚:,按亲水基种类分类 2.4 离子表面活性剂,一、羧酸盐类 肥皂 肥皂通过油指与NaoH的皂化反应制得,又名钠皂。 C17H35COONa肥皂(硬脂酸钠),在软水中对棉织物的去污能力最高,是其它洗涤剂不能比拟的,但肥皂在硬水中生成不溶性的金属皂,是其主要特点。 制备工艺:,油脂净化:碱法、硫酸法、盐酸法,除去游离脂肪酸、蛋白质及其分解产物胶状物色素物质。 皂化: 加松香:可使皂基浓度增大,皂液表面张力减小,有机械作用时生成泡沫,能防止氧化和冒霜,对
12、无机盐类敏感较差,能加入多量填料. 漂白:氧化法(H2O2等),还原法(用亚硫酸氧钠),盐析:即把肥皂从甘油和其他杂质中离析出来。 碱析:保证油脂的完全皂化。(进一步的碱处理) 整理:采用碱或盐析进行整理:即降低其中电介质。 调和:加入硅酸钠、硫酸钠防止败酸。加入滑石粉、保护皂基,防止收缩变形。 成型,原料差异与产品性质,天然油脂的组成变化较大 动物油与植物油,油与脂; 多为混合物,但以某种为主 碳链长度不同 有的含有双键,易氧化变质 钠皂、钾皂、金属皂 硬水中钙镁离子的影响,多羧酸皂,C3-C24的烯烃与顺丁二酸酐加热烷基琥珀 酸酐 用于润滑油添加剂、除锈剂 将一个羧基用丁醇或戊醇脂化生成新
13、的活化剂,其它羧酸皂 松香皂 C19H29COOH C19H29COONa N-酰氨基羧酸盐 脂肪酸与氨基酸的缩合物,具体品种有 R-CONH2COOM 主要用于发泡洗净剂,药品和化妆品等。 聚醚羧酸盐 R-(OC2H4)nOCH2COONa 对硬水中的金属离子稳定,对皮肤的作用缓和,还能防止酶的产生,用于化妆品等作乳化剂,护散剂和凝胶剂等。,二、硫酸酯盐类 硫酸脂盐表面活性剂是湿润力、分散力、乳化力和去污力最好的表面活性剂之一,可用作重垢棉织物洗涤剂,轻垢液体洗涤剂配制餐具洗涤液、香波、纺织助剂、乳化剂,牙膏装饰品及硬表面清洗剂,电镀浴添力剂等。 硫酸化:制备硫酸酯盐表面活性剂常用到硫酸化反
14、应。 凡是含有-OH基和不饱和双键的化合物都可进行硫酸化反应。,硫酸脂盐型阴离子表面活性剂,H2SO4 NaOH R-OH R-O-SO3H R-O-SO3 Na H2SO4 NaOH R-CH=CH-R R-CHCH2-R R-CHCH2-R O-SO3H O-SO3Na,制取表面活性剂所使用的高级醇,基键长以C12C18为最适宜,工业上常用的可分为 脂肪族的高碳饱和醇 ; 脂肪族高碳不饱和醇 ; 天然混合醇 : 抹香醇。,高级醇硫酸脂盐特点,具有良好的洗净力。乳化力,泡沫丰富,易于生物降解。 在硬水中不产生沉淀 热稳定性较差,在强碱或强酸介质中易于水解。 不同的碳链长度其产品性能有差异,脂
15、肪醇硫酸盐(FAS) 1930年开始生产. 制备: 商品FAS是浓度为25%40%接近无色的溶液或淡黄色膏状物。在各种不同FAS中,碳链为C12C14的发泡能力最强,低温洗涤性能也最佳,生物降解性完全。但因成本较高,影响了其发展。,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES) C12-C14的油醇或C12C16醇与环氧乙烷或环氧丙烷缩合,生成高碳醇聚氧乙烯醚,再硫酸化、碱中和,即制得醚型硫酯盐。 AES疏水基的溶解性能较FAS为优。故某醇如牛脂醇,若单用硫酸化工艺,产品溶解性能差,通过乙氧基化而制成醚型硫酸酯盐时,就能改变其使用性能,在未来一段时间内,AES将是市场需求增长得最快的一种阴离子表面活性剂。,
16、三、磺酸盐类:各种常见的磺化剂,三、磺酸盐类 烷基苯磺酸盐 烷基苯磺酸盐不论从生产量或消耗量来说都反次于肥皂,在合成表面活性剂中占第一位。最典型的代表是支链十二烷基苯磺酸钠(TPS)和直链十二烷基苯磺酸钠(LAS) 烷基苯磺酸钠的生产工艺:付-克反应 烷基苯的生产工艺 磺化工艺(亲电取代) 以往磺化时多采用发烟硫酸,但反应结束后总有部分废酸存在于磺化物料中,中和后生成Na2SO4带入产品。 近年来,国外均采用气体SO3,磺化的先进工艺。,烷基苯磺酸钠的生产工艺流程: 98%H2SO4 烷基苯 除烯烃 干燥,预处理,烷基苯磺酸钠的生产工艺流程: 98%H2SO4 SO3 水 烷基苯 除烯烃 干燥
17、 NaOH 产品,预处理,磺化,分酸,中和,干燥,脂、酰胺的磺酸性,2-烯烃磺酸盐(AOS) 是由X-烯烃和SO3磺化而制成的,反应过程化学较复杂,在目前洗涤产品低磷化浪潮中,由于AOS具有特别优异的去污力和耐硬水性,因而受到重视,并成为重垢低磷洗认粉的主要组分,最近,AOS在化妆品,家用洗涤剂和工业用洗涤剂中的应用也有了迅速发展。AOS已被用作液体洗涤剂的主要组分。,阳离子表面活性剂,阳离子表面活性剂以胺类为主,主要由各种来源的胺通过中和或季胺化反应制取。 一、质子化脂肪胺盐(烷基胺盐) 伯胺盐、叔胺盐、仲胺盐均属这一类,可用作乳化剂,破乳剂等,二、季铵盐 由脂肪叔胺进一步烷基化而成,品种繁
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