2024-08-12 09:11:36

1、表面張力

把液體表面任意單位長度的收縮力稱為表面張力，單位為N?m^-1。

2、表面活性和表面活性劑

将能降低溶劑表面張力的性質稱為表面活性，而具有表面活性的物質稱為表面活性物質。

把能在水溶液中分子發生締合且形成膠束等締合體，并具有較高的表面活性，同時還具有潤濕、乳化、起泡、洗滌等作用的表面活性物質稱為表面活性劑。

3、表面活性劑的分子結構特點

表面活性劑是一種具有特殊結構和性質的有機化合物，它們能明顯地改變兩相間的界面張力或液體（一般為水）的表面張力，具有潤濕、起泡、乳化、洗滌等性能。

就結構而言，表面活性劑都有一個共同的特點，即其分子中含有兩種不同性質的基團，一端是長鍊非極性基團，能溶于油而不溶于水，亦即所謂的疏水基團或憎水基，這種憎水基一般都是長鍊的碳氫化合物，有時也為有機氟、有機矽、有機磷、有機錫鍊等。另一端則是水溶性的基團，即親水基團或親水基。親水基團必須有足夠的親水性，以保證整個表面活性劑能溶于水，并有必要的溶解度。由于表面活性劑含有親水基和疏水基，因而它們至少能溶于液相中的某一相。表面活性劑的這種既親水又親油的性質稱為兩親性。

4、表面活性劑的類型

表面活性劑是一種既有疏水基團又有親水基團的兩親性分子。表面活性劑的疏水基團一般是由長鍊的碳氫構成，如直鍊烷基C8～C20，支鍊烷基C8～C20，烷基苯基（烷基碳原子數為8～16）等。疏水基團的差别主要是在碳氫鍊的結構變化上，差别較小，而親水基團的種類則較多，所以表面活性劑的性質除與疏水基團的大小、形狀有關外，主要還與親水基團有關。親水基團的結構變化較疏水基團大，因而表面活性劑的分類一般以親水基團的結構為依據。這種分類是以親水基團是否是離子型為主，将其分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性離子型和其他特殊類型的表面活性劑。

5、表面活性劑水溶液的特性

① 表面活性劑在界面上的吸附

表面活性劑分子中具有親油基和親水基，為兩親分子。水是強極性液體，當表面活性劑溶于水中時，根據極性相似相引﹑極性相異相斥原理，其親水基與水相引而溶于水，其親油基與水相斥而離開水，結果表面活性劑分子（或離子）吸附在兩相界面上，使兩相間的界面張力降低。表面活性劑分子（或離子）在界面上吸附越多，界面張力降低越大。

② 吸附膜的一些性質

吸附膜的表面壓力：表面活性劑在氣液界面吸附形成吸附膜，如在界面上放置一無摩擦可移動浮片，以浮片沿溶液面推動吸附質膜，膜對浮片産生一壓力，此壓力稱為表面壓力。

表面黏度：與表面壓力一樣，表面黏度是由不溶性分子膜表現出的一種性質。以細金屬絲懸吊一白金環，令其平面接觸水槽的水表面，旋轉白金環，白金環受水的黏度阻礙，振幅逐漸衰減，據此可測定表面黏度，方法是：先在純水表面進行實驗，測出振幅衰減，然後測定形成表面膜後的衰減，從兩者的差值求出表面膜的黏度。

表面黏度與表面膜的牢固度密切有關，由于吸附膜有表面壓力和黏度，它必定具有彈性。吸附膜的表面壓力越大，黏度越高，其彈性模量就越大。

表面吸附膜的彈性模量在穩泡過程中有重要意義。

③ 膠束的形成

表面活性劑的稀溶液服從理想溶液所遵循的規律。表面活性劑在溶液表面的吸附量随溶液濃度增高而增多，當濃度達到或超過某值後，吸附量不再增加，這些過多的表面活性劑分子在溶液内是雜亂無章的，抑或以某種有規律的方式存在。實踐和理論均表明，它們在溶液内形成締合體，這種締合體稱為膠束。

臨界膠束濃度cmc：表面活性劑在溶液中形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。

6、親水親油平衡值

HLB是hydrophile lipophile balance的縮寫，表示了表面活性劑的親水基團和親油基團具有的親水親油平衡值，即表面活性劑HLB值。HLB值大，表示分子的親水性強，親油性弱；反之親油性強，親水性弱。

HLB值的規定

HLB值是個相對值，故在制定HLB值時，作為标準，規定無親水性能的石蠟的HLB值為0，而水溶性較強的十二烷基硫酸鈉的HLB值為40。因此表面活性劑的HLB值一般在1～40範圍以内。通常來說，HLB值小于10的乳化劑為親油性的，而大于10的乳化劑則是親水性的。因此，由親油性到親水性的轉折點約為10。

根據表面活性劑的HLB值，可大緻了解其可能的用途。

HLB值	用途	HLB值	用途
1.5～3	W/O型消泡劑	8～18	O/W型乳化劑
3.5～6	W/O型乳化劑	13～15	洗滌劑
7～9	潤濕劑	15～18	增溶劑

由上表可知，适合于作油包水型乳化劑的表面活性劑的HLB值為3.5～6，而水包油型乳化劑的HLB值為8～18。

7、乳化作用和增溶作用

兩種互不溶的液體，一種以微粒（液滴或液晶）分散于另一種中形成的體系稱為乳狀液。形成乳狀液時由于兩液體的界面積增大，所以這種體系在熱力學上是不穩定的，為使乳狀液穩定需要加入第三組分—乳化劑以降低體系的界面能。乳化劑屬于表面活性劑，其主要功能是起乳化作用。乳狀液中以液滴存在的那一相稱為分散相（或内相﹑不連續相），連成一片的另一相叫做分散介質（或外相﹑連續相）。

①乳化劑和乳狀液

常見的乳狀液，一相是水或水溶液，另一相是與水不相混溶的有機物，如油脂、蠟等。

水和油形成的乳狀液，根據其分散情形可分為兩種：油分散在水中形成水包油型乳狀液，以O/W（油/水）表示；水分散油中形成油包水型乳狀液，以W/O（水/油）表示。此外還可能形成複雜的水包油包水W/O/W型和油包水包油O/W/O型的多元乳狀液。

乳化劑是通過降低界面張力和形成單分子界面膜使乳狀液穩定的。

在乳化作用中對乳化劑的要求：

a：乳化劑必須能吸附或富集在兩相的界面上，使界面張力降低；

b：乳化劑必須賦予粒子以電荷，使粒子間産生靜電排斥，或在粒子周圍形成一層穩定的、黏度特别高的保護膜。所以，用作乳化劑的物質必須具有兩親基團才能起乳化作用，表面活性劑能滿足這種要求。

②乳化液的制備方法和影響乳狀液穩定性的因素

制備乳狀液的方法有兩種：一種是采用機械法使液體以微小的粒子分散于另一種液體中，工業上多采用這種方法制備乳狀液；另一種是将液體以分子狀态溶于另一液體中，然後使其适當地聚集而形成乳狀液。

乳狀液的穩定性是指反抗粒子聚集而導緻相分離的能力。乳狀液在熱力學上是不穩定的體系，有較大的自由能。因此所謂乳狀液的穩定性實際上是指體系達到平衡狀态所需要的時間，即體系中一種液體發生分離所需要的時間。

當界面膜中有脂肪醇、脂肪酸和脂肪胺等極性有機物分子時，膜強度顯著增高。這是因為，在界面吸附層中乳化劑分子與醇﹑酸和胺等極性分子發生作用形成“複合物”，使界面膜強度增高的緣故。

由兩種以上表面活性劑組成的乳化劑稱為混合乳化劑。混合乳化劑吸附在水/油界面上，分子間發生作用可形成絡合物。由于分子間強烈作用，界面張力顯著降低，乳化劑在界面上吸附量顯著增多，形成的界面膜密度增大，強度增高。

液珠的電荷對乳狀液的穩定性有明顯的影響。穩定的乳狀液，其液珠一般都帶有電荷。當使用離子型乳化劑時，吸附在界面上的乳化劑離子其親油基插入油相，親水基處于水相，從而使液珠帶電。由于乳狀液的液珠帶同種電荷，它們之間相互排斥，不易聚結，使穩定性增高。可見，液珠上吸附的乳化劑離子越多，其帶電量越大，防止液珠聚結能力也越大，乳狀液體系就越穩定。

乳狀液分散介質的黏度對乳狀液的穩定性有一定影響。一般，分散介質的黏度越大，乳狀液的穩定性越高。這是因為分散介質的黏度大，對液珠的布朗運動阻礙作用強，減緩了液珠之間碰撞，使體系保持穩定。通常能溶于乳狀液的高分子物質均能增高體系的黏度，使乳狀液的穩定性增高。此外高分子還能形成堅固的界面膜，使乳狀液體系更加穩定。

在某些情況下加入固體粉末也能使乳狀液趨于穩定。固體粉未處于水、油中或界面上，取決于油、水對固體粉未的潤濕能力，若固體粉末完全為水潤濕，又能被油潤濕，才會滞留于水油界面上。

固體粉未使乳狀液穩定的原因在于，聚集于界面的粉未增強了界面膜，這與界面吸附乳化劑分子相似，故固體粉未粒子在界面上排列得越緊密，乳狀液越穩定。

表面活性劑在水溶液中形成膠束後具有能使不溶或微溶于水的有機物的溶解度顯著增大的能力，且此時溶液呈透明狀，膠束的這種作用稱為增溶。能産生增溶作用的表面活性劑叫做增溶劑，被增溶的有機物稱為被增溶物。

8、泡沫

泡沫在洗滌過程中起着重要的作用。泡沫是指氣體分散在液體或固體中的分散體系，氣體為分散相，液體或固體為分散介質，前者稱為液體泡沫，而後者稱為固體泡沫，如泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫水泥等。

(1) 泡沫的形成

我們這裡所說的泡沫，是指被液體薄膜隔開的氣泡的聚集物。這種泡沫由于分散相（氣體）和分散介質（液體）的密度相差較大，加之液體的黏度低，因此氣泡總是能很快地升到液面。

形成泡沫的過程是将大量氣體帶入液體，液體中的氣泡又很快返回到液面，形成由少量液氣隔開的氣泡聚集體。

泡沫在形态上具有兩個顯著的特點：其一是作為分散相的氣泡常常是呈多面體形狀，這是因為在氣泡的相交處，有一種液膜變薄的趨勢使氣泡成為多面體，當液膜變薄到一定程度，則導緻氣泡破裂；其二是，純淨液不能形成穩定的泡沫，能形成泡沫的液體，至少是兩個以上的組分。表面活性劑的水溶液是典型的易産生泡沫的體系，其生成泡沫的能力與其他性能也有一定的關系。

起泡力好的表面活性劑稱為起泡劑。起泡劑盡管具有良好的泡沫能力，但形成的泡沫不一定能維持較長的時間，即其穩定性不一定良好。為了保持泡沫的穩定，常在起泡劑中加入能增加泡沫穩定性的物質，這種物質稱為穩泡劑，常用的穩泡劑有月桂酰二乙醇胺和十二烷基二甲基胺的氧化物。

(2) 泡沫的穩定性

泡沫是一種熱力學不穩定體系，最後的趨勢是破泡之後體系内液體的總表面積減小，自由能降低。消泡過程就是隔開氣體的液膜由厚變薄，直至破裂的過程。因此，泡沫的穩定程度主要是由排液快慢和液膜的強度決定的。其影響因素還有以下幾種。

①表面張力

從能量觀點考慮，低表面張力對于泡沫的形成比較有利，但不能保證泡沫穩定。表面張力低，壓差小，排液速度變慢，液膜變薄較慢，有利于泡沫的穩定。

②表面黏度

決定泡沫穩定性的關鍵因素在于液膜強度，而液膜強度主要決定于表面吸附膜的堅固性，以表面黏度為其量度。實驗證明，表面黏度較大的溶液所生成的泡沫壽命較長。這是因為表面吸附分子間的相互作用導緻膜強度增大，從而提高泡沫的壽命。

③溶液黏度

當液體本身的黏度增大時，液膜中的液體不易排出，液膜厚度變薄的速度較慢，延緩了液膜破裂的時間，增加了泡沫的穩定性。

④表面張力的“修複”作用

表面活性劑吸附于表面的液膜，有反抗液膜表面擴張或收縮的能力，我們将這一能力稱為修複作用。這是因為有表面活性劑在表面上吸附的液膜，擴張其表面積将降低表面吸附分子的濃度，增大表面張力。進一步擴大表面将需要做更大的功。反之表面積收縮将增加表面吸附分子的濃度，即減小表面張力，不利于進一步的收縮。

⑤氣體通過液膜的擴散

由于毛細壓力的存在，泡沫中小泡的壓力要比大泡壓力高，會造成小泡中的氣體透過液膜擴散到低壓的大泡中，造成小泡變小，大泡變大，最終泡沫破裂的現象。如果加入表面活性劑，發泡時則可使泡沫均勻細密，不易消泡。由于表面活性劑緊密排列在液膜上，透氣困難，而使泡沫更加穩定。

⑥表面電荷的影響

如果泡沫液膜帶有相同符号的電荷，液膜兩個表面将互相排斥，防止了液膜變薄乃至破壞。離子型表面活性劑可起這種穩定作用。

綜上所述，液膜強度是決定泡沫穩定性的關鍵因素。作為起泡劑和穩泡劑的表面活性劑，其表面吸附分子排列的緊密性和牢固性是最重要的因素。表面吸附分子相互作用強時，吸附分子排列結構緊密，這不僅使表面膜本身具有較高的強度，而且因表面黏度較高使鄰近表面膜的溶液不易流動，液膜排液相對困難，液膜的厚度易于維持。此外，排列緊密的表面分子還能減低氣體分子的透過性從而也可增加泡沫的穩定性。

(3) 泡沫的破壞

破壞泡沫的基本原則就是改變産生泡沫的條件或消除泡沫的穩定因素，因而有物理和化學兩種消泡方法。

物理消泡就是在維持泡沫溶液的化學成分不變的情況下改變泡沫産生的條件，如外力的擾動、溫度或壓力的改變以及超聲處理等都是消除泡沫的有效物理方法。

化學消泡法是加入某些物質與起泡劑發生作用，降低泡沫中液膜的強度進而降低泡沫的穩定性以達到消泡的目的，這樣的物質稱為消泡劑。消泡劑大多數為表面活性劑。因此根據消泡的作用機理，消泡劑應當具有較強的降低表面張力的能力，容易吸附在表面上，且表面吸附分子間的相互作用較弱，吸附分子排列結構較為疏松。

消泡劑的種類多種多樣，但基本上都為非離子表面活性劑。非離子表面活性劑在其濁點附近或濁點以上時具有防泡性能，常用作消泡劑。醇類，特别是有分支結構的醇、脂肪酸及脂肪酸酯、多酰胺、磷酸酯、矽油等也是常用的優良消泡劑。

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