表面活性剂概述.ppt

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1、表面化学与纳米技术课程简介表面活性剂18学时，1-5周，周4学时教材：表面活性剂化学，王世荣主编，化学工业出版社出版，2010纳米技术16学时，5-9周，周4学时教材：纳米科技导论，徐国财主编高等教育出版社，2008l表面活性剂化学l l主要内容：介绍各种类型的表面活性剂的性质、特点、用途，尤其是其在生活中及工业中的各种用途，通过该课程的学习，可以将表面活性剂的诸多功能与性质联系起来，更好的去理解和应用表面活性剂。课程简介包括：表面活性剂概述、表面活性剂作用原理、表面活性剂的功能与应用、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂、特殊类型的表面活性剂、表面活性剂的复配

2、第一章表面活性剂概述l l主要内容l l表面活性剂的分类l l表面活性剂的国内外发展状况掌握：表面活性剂的定义、分类方法；了解表面活性剂的发展状况什么是表面活性剂？表面活性剂是一类重要的精细化学品，早期主要应用于洗涤、纺织等行业，现在几乎覆盖了精细化工的所有领域。目前人们对表面活性剂的定义尚无统一的描述，但普遍认为从其名称上看应包括三个方面的含义，即“表（界）面”、“活性”和“添加剂”。定义：具体地讲，表面活性剂应当是这样一类物质，在加入量很少时即能明显降低溶剂（通常为水）的表面（或界面）张力，改变物系的界面状态，能够产生润湿，乳化、起泡、增溶及分散等一系列作用，从而达到实际应用的要求。l l

3、表面活性剂达到一定浓度后可缔合形成胶团，从而具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品简单介绍几个相关名词表面：凝聚体与气体之间的接触面界面：凝聚体与凝聚体之间的接触面表面张力：作用于液体表面单位长度上使表面收缩的力（mN/m）。是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。比如：比如：露水总是尽可能的呈球型，而某些昆虫则利用表面张力可以漂浮在水面上。露水总是尽可能的呈球型，而某些昆虫则利用表面张力可以漂浮在水面上。l l实验一：实验一：实验一：实验一：l l这个实

4、验，也可以说是一个关于表面张力的这个实验，也可以说是一个关于表面张力的小游戏。先找一个朋友和你一起来进行这个游戏，小游戏。先找一个朋友和你一起来进行这个游戏，然后准备一杯水（把水加到杯子的边缘处然后准备一杯水（把水加到杯子的边缘处,目视水目视水至杯口齐平处），至杯口齐平处），1616枚枚1 1元的元的硬币硬币(也可以更多也可以更多)。然后是这个游戏的规则，和朋友每人一次向杯子然后是这个游戏的规则，和朋友每人一次向杯子里轮流投放硬币，每次投放硬币数没有限制，可里轮流投放硬币，每次投放硬币数没有限制，可以一次放进以一次放进1 1枚，可以枚，可以2 2或或3 3枚枚,或者更多，直到谁或者更多，直到谁

5、先把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和先把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和食指捏住硬币轻轻的放进盛满水的杯子。本人最食指捏住硬币轻轻的放进盛满水的杯子。本人最多一次投放了多一次投放了8282枚枚1 1元硬币。元硬币。l l实验二实验二实验二实验二l l有孔纸片托水有孔纸片托水 l l材料：瓶子一个、大头针一个、纸片一张，有色材料：瓶子一个、大头针一个、纸片一张，有色水一满杯水一满杯 l l操作：操作：l l1 1、在空瓶内盛满有色水。、在空瓶内盛满有色水。l l2 2、用大头针在白纸上扎许多孔。、用大头针在白纸上扎许多孔。l l3 3、把有孔纸片盖住瓶口。、把有孔纸片盖住瓶口。l l

6、4 4、用手压着纸片，将瓶倒转，使瓶口朝下。、用手压着纸片，将瓶倒转，使瓶口朝下。l l5 5、将手轻轻移开，纸片纹丝不动地盖住瓶口，而、将手轻轻移开，纸片纹丝不动地盖住瓶口，而且水也未从孔中流出来。且水也未从孔中流出来。l l讲解：讲解：l l薄纸片能托起瓶中的水，是因为大气薄纸片能托起瓶中的水，是因为大气压强作用于纸片上，产生了向上的托力。压强作用于纸片上，产生了向上的托力。小孔不会漏出水来，是因为水有表面张力，小孔不会漏出水来，是因为水有表面张力，水在纸的表面形成水的薄膜，使水不会漏水在纸的表面形成水的薄膜，使水不会漏出来。出来。l l这如同布做的雨伞，布虽然有很多小孔，这如同布做的雨伞

7、，布虽然有很多小孔，仍然不会漏雨一样。仍然不会漏雨一样。实际应用举例l l洗发水、香波、肥皂、香皂、润肤露、雪花膏、牙膏、香水、面包、饮料、酒等等。第一节表面活性剂的分类一、按离子类型分类表面活性剂表面活性剂的分类表面活性剂的分类表面活性剂的分类表面活性剂的分类通常按离子类型分类通常按离子类型分类通常按离子类型分类通常按离子类型分类l l在水中能电离而生成离子的叫在水中能电离而生成离子的叫离子表面活性剂离子表面活性剂离子表面活性剂离子表面活性剂；l l不能电离的叫不能电离的叫非离子表面活性剂非离子表面活性剂非离子表面活性剂非离子表面活性剂；l l在离子表面活性剂中，亲水基团带有负电荷的叫在离子

8、表面活性剂中，亲水基团带有负电荷的叫阴阴阴阴离子表面活性剂离子表面活性剂离子表面活性剂离子表面活性剂；l l亲水基团带有正电荷的叫亲水基团带有正电荷的叫阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂。l l视溶液酸碱度不同而离解成阴离子或阳离子的则称视溶液酸碱度不同而离解成阴离子或阳离子的则称为为两性表面活性剂两性表面活性剂两性表面活性剂两性表面活性剂。二、按亲水基的结构分类（8）羧酸盐型C17H35COONa磺酸盐型C12H25-C6H6-SO3Na硫酸酯盐型C18H37OSO3Na磷酸酯盐型C12H25OPO3Na2(单酯)(C12H25O)2PO2Na（双酯）胺盐型（伯

9、胺盐-NH2HX、仲胺盐-NHHX、叔胺盐-N-HX）季铵盐型-N+X-多羟基型-OH聚氧乙烯型-(CH2CH2O)n-三、按疏水基种类分（8）直链烷基-CnH2n+1,n=8-20支链烷基烷基苯基R-C6H4-烷基萘基R-(C10H6)2-松香衍生物高分子量聚氧丙烯基-(OC3H7)n-长链全氟代烷-CnF2n+1聚硅氧烷基(CH3)3-Si-O-Si(CH3)2-O-n-Si(CH3)2-四、按表面活性剂的特殊性分类（5）l l碳氟表面活性剂CF3(CF2)6COONal l含硅表面活性剂(CH3)3Si-CH2-Si(CH3)2-CH2CH2COONal l高分子表面活性剂l l生物表面

10、活性剂l l冠醚表面活性剂新型特种表面活性剂新型特种表面活性剂1、双联型表面活性剂双联型表面活性剂l l双联型表面活性剂是用连双联型表面活性剂是用连接基将两个表面活性剂分接基将两个表面活性剂分子联在一起，从而使表面子联在一起，从而使表面活性剂分子中带有两个亲活性剂分子中带有两个亲油基及亲水基，成为双亲油基及亲水基，成为双亲油基油基-双亲水基表面活性剂双亲水基表面活性剂（GeminiSurfactantsGeminiSurfactants）。）。双联型表面活性剂与传统双联型表面活性剂与传统表面活性剂的结构见图表面活性剂的结构见图 双联型表面活性剂结构示意图双联型表面活性剂结构示意图 l l双联型

11、表面活性剂中连接基可以是亲水性，也可以是亲油性；可以是烷烃，也可以是芳环。双联型表面活性剂具有多种类型，包括阴离子、非离子、阳离子型。与传统表面活性剂相比，双联型表面活性剂具有很高的表面活性，其水溶液具有特殊的相变行为及流变性，已广泛引起化学界及工业界的关注，是发展前景广阔的新型表面活性剂。双联型表面活性剂的典型结构2、有机氟表面活性剂有机氟表面活性剂l l主要是指在表面活性剂的碳氢链中，氢原子全部用氟原子主要是指在表面活性剂的碳氢链中，氢原子全部用氟原子取代了的全氟表面活性剂，是表面活性最强的一种特殊表取代了的全氟表面活性剂，是表面活性最强的一种特殊表面活性剂。它与碳氢链不同，其憎水作用比碳

12、氢链强，而面活性剂。它与碳氢链不同，其憎水作用比碳氢链强，而且憎油。不但降低水的表面张力，也能降低碳氢化合物液且憎油。不但降低水的表面张力，也能降低碳氢化合物液体的表面张力。表面活性非常强，扩散力也非常高。它可体的表面张力。表面活性非常强，扩散力也非常高。它可用于提高憎水性的织物处理及抗污处理，还可用于产生稳用于提高憎水性的织物处理及抗污处理，还可用于产生稳定的泡沫灭火剂，也可作乳液聚合的乳化剂。定的泡沫灭火剂，也可作乳液聚合的乳化剂。3、有机硅表面活性剂有机硅表面活性剂l l表面活性剂分子中的表面活性剂分子中的疏水链不再是碳氢链，疏水链不再是碳氢链，而是聚硅氧烷链或聚而是聚硅氧烷链或聚硅烷链

13、。硅烷链。l l聚硅氧烷链或聚硅烷聚硅氧烷链或聚硅烷链的疏水性远高于碳链的疏水性远高于碳氢链。含硅表面活性氢链。含硅表面活性剂具有较高的热稳定剂具有较高的热稳定性和较好的润湿能力，性和较好的润湿能力，同时具有泡沫抑制性同时具有泡沫抑制性和泡沫稳定性。可用和泡沫稳定性。可用来配制各种纺丝油剂。来配制各种纺丝油剂。4、冠醚型表面活性剂冠醚型表面活性剂l l冠醚类大环化合物具有与金属离子络合、形成可溶于冠醚类大环化合物具有与金属离子络合、形成可溶于有机溶剂相络合物的特性，因而广泛用作相转移催化有机溶剂相络合物的特性，因而广泛用作相转移催化剂。由于冠醚大环主要由聚氧乙烯构成，与非离子表剂。由于冠醚大环

14、主要由聚氧乙烯构成，与非离子表面活性剂极性基相似，故在冠醚上引入烷基，则可得面活性剂极性基相似，故在冠醚上引入烷基，则可得到与非离子表面活性剂类似，但又有其独特性质的新到与非离子表面活性剂类似，但又有其独特性质的新型表面活性剂。型表面活性剂。5、高分子表面活性剂高分子表面活性剂l l高分子表面活性剂一般认为是分子量在数千以上且具有表面高分子表面活性剂一般认为是分子量在数千以上且具有表面活性的物质。其分类见表活性的物质。其分类见表：天天 然然半半 合合 成成 合合 成成 藻酸钠藻酸钠果胶酸钠果胶酸钠壳聚酸壳聚酸淀粉淀粉羧甲基纤维素羧甲基纤维素羧甲基淀粉羧甲基淀粉甲基纤维素甲基纤维素羟乙基纤维素羟

15、乙基纤维素甲基丙烯酸接枝淀粉甲基丙烯酸接枝淀粉甲基丙烯酸共聚物甲基丙烯酸共聚物马来酸共聚物马来酸共聚物乙烯吡啶共聚物乙烯吡啶共聚物聚乙烯亚胺聚乙烯亚胺聚乙烯醇聚乙烯醇聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺聚乙烯醚聚乙烯醚聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮高分子表面活性剂的分类高分子表面活性剂的分类 l l由于分子量高，它具有低分子表面活性剂所没有的一些特性，如良好的分散性、凝聚性、稳泡性、乳化和增稠性；毒性小，有良好的保护胶体和增溶能力，优良的成膜性及粘附性能，在各个工业部门被广泛用作胶乳稳定剂、增稠剂、破乳剂、防垢剂、分散剂、乳化剂和絮凝剂等，其中的许多应用是低分子表面活性剂难以替代的。6、表面活性催化剂表面活性催

16、化剂l l表面活性催化剂是一种较新的表面活性催化剂是一种较新的概念。它把表面活性作用和催概念。它把表面活性作用和催化作用集中在一个化合物分子化作用集中在一个化合物分子中。使之能在胶束的表面上把中。使之能在胶束的表面上把非均相催化剂的高选择性和均非均相催化剂的高选择性和均相催化剂的高活性结合起来。相催化剂的高活性结合起来。例如，下列结构的表面活性催例如，下列结构的表面活性催化剂已在烯烃加氢和氢甲醛化化剂已在烯烃加氢和氢甲醛化中取得成功，解决了昂贵的均中取得成功，解决了昂贵的均相过渡金属催化剂的分离和回相过渡金属催化剂的分离和回收使用的问题。收使用的问题。阴离子表面活性三苯基膦配体铑催化剂阴离子表

17、面活性三苯基膦配体铑催化剂 五、其他分类方法（4）l l按溶解性分:水溶性、油溶性l l按来源分：合成、天然、半合成l l按分子量高低分：低分子量、高分子量l l按应用功能分：乳化剂、洗涤剂、润湿剂、发泡剂、消泡剂、分散剂、絮凝剂、渗透剂及增溶剂。（分别作简单介绍并与实际例子相结合）第二节表面活性剂的国内外发展状况l l一、世界表面活性剂工业的发展状况l l1.应用范围及发展状况：l l应用范围广泛:表面活性剂应用范围广阔，在纺织、造纸、医药、食品、民用、建筑等各领域都有重要的作用，素有“工业味精”的美誉。l目前全世界有6000多种，商品牌号上万种，年产量接近1500万吨，总体呈平衡而缓慢的增

18、长态势，北美和西欧市场趋饱和，年增长率在2%以下，亚洲和其他地区发展较快，年增长率在4%以上。l l2.生产和消费的表面活性剂品种：以阴离子为主，占55%；非离子次之，35%；阳离子和两性表面活性剂占10%l l3.使用范围包括的三个部分：家用、个人护理用、工业与公共设施用l l家用占总消费量的一半以上。l l工业用表面活性剂所占比例的大小，从一个侧面反映了这个国家工业的发达程度，并为工业发展提供条件并起促进作用。l l表面活性剂在发达国家工业用占整个应用的一半以上l l美国工业用占44%，且以阴离子为主，占65%l l西欧43%，阴，占50%以上l l日本上世纪90年代末75%以上，以阴为主

19、，50%以上.二、我国表面活性剂工业的现状及未来发展趋势l l制造工业起步于1903年，发展于20世纪50年代末60年代初。初期发展缓慢，进入90年代发展较快。现有品种2000多种，但与发达国家相比仍有较大差距，表现在：l l（1）品种少，产量低，不能满足国内市场需求。（2000与6000）l l（2）人均消费水平低。l l1994-1995年期间，美国人均消费量高达13.9，位居世界第一；其次是日本，为9.7；西欧为6.6。而我国仅为0.5，目前仍不足1，处于世界较低水平。l l（3）在产品结构上，阴离子为主，高档次的阳离子和两性型表面活性剂匮乏，在产量和份额上都低于美国、日本等国家。l l

20、（4）从产品应用领域看，工业用表面活性剂所占比例远远低于发达国家。l l（5）基础理论研究比较薄弱，缺乏复配和深加工技术的理论指导，生产工艺落后。l l今后，我国表面活性剂的发展主要表现为：l l（）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的问题，使其形成系列化产品树，降低生产成本，提高产品质量和市场竞争力，提供适应国际化市场需求的全球统一质量标准的产品。l l（2）加强应用基础理论研究l l（3）将应用基础研究与应用开发有机结合，不断开发市场潜力，向电子信息、能源、新材料、环境、生物工程与生命科学等高新技术领域扩展。l l（4）积极开发专用化和功能化表面活性剂。l（5）由于环保

21、、安全和回归大自然的要求，表面活性剂的品种将向环境有利的方向发展，大力开发绿色表面活性剂和生物表面活性剂。三、表面活性剂的发展动向l l1.绿色标记产品l l绿色产品：原指由天然再生资源加工，对人体刺激小，易生物降解的产品。典型代表：l l21世纪的表面活性剂正朝着安全、温和及易生物降解的方向发展。“绿色”标记产品，最早由美国制造商提出的，以后得到公众舆论的支持。l l.推进表面活性剂合成过程中化学反应的绿色化l l提高反应的选择性、采用环境友好的高效催化剂、改进工艺（用三氧化硫磺化代替发烟硫酸磺化）、催化剂的选择、原料的绿色化（再生资源的利用）等。四、举例：表面活性剂在纳米材料制备技术中的应

22、用1.纳米技术2.表面活性剂的作用：控制纳米微粒的大小、改善纳米微粒表面性能、控制纳米材料结构第三节新型表面活性剂l l一、现在研究比较多的表面活性剂有：l l1.生物表面活性剂l l具有由于化学合成表面活性剂的物化性质。其开发始于20世纪60年代中期。具有选择性好，用量少，无毒，能够被完全生物降解，不对环境造成污染。l l2.型表面活性剂。孪连表面活性剂。分子的形状如同连体的孪生婴儿。高表面活性和低的和。l l3.传统表面活性剂的改性l l带甲基支链的疏水基代替直链疏水基，使高级醇硫酸酯盐型（）烷基苯磺酸盐型（）的l l明显下降。改善了冷水溶解性。l l4.功能性表面活性剂及助剂l l除为体

23、系提供常规的性能外，还可提供强化某种特殊功能。l l如高露洁公司开发的烷基甘油醚磺酸盐l l（）l l一般为碱金属离子或铵离子l l在香皂中加入极小的比例，可大大降低对皮肤的刺激性，提高香皂的持久性，改善手感并可用于其他个人护理用品中。l5.可裂解表面活性剂l完成其应用功能后可分解成非表面活性物质或转变成新表面活性化合物。制药中可满足代谢物无毒的需要。l l二、已工业化的新型表面活性剂l l1.烷基多苷（）l l淀粉或葡萄糖与天然脂肪醇生成的。能满足各种要求的新一代世界级工业表面活性剂。l l高效、无毒、可生物降解。非离子表面活性剂。目前，全世界生产能力10万吨/年。美国5万吨，法、日、德也有

24、。中国日用化工研究院2000年建成1000吨/年的生产装置。l l2.烷基二苯醚双磺酸盐（）l l是最早实现工业化的一种型表面活性剂，卓越的分散能力，优异的高温稳定性，耐硬水、易漂洗，低温水溶性好。非常适用于配制低温、无磷、超浓缩液体洗涤剂。随着合成工艺技术的完善，型表面活性剂很有潜力成为21世纪的新一代表面活性剂。l3.螯合型表面活性剂l可与其它表面活性剂具有很好的配伍性，可提高体系的耐硬水性。对人体和环境比较温和。可赋予洗涤剂产品许多优异的功能。本章总结l l表面活性剂的定义l l表面活性剂的分类l l表面活性剂的发展状况作业1.表面活性剂的定义及分类？2.总结表面活性剂的国内外发展状况？

25、复习思考题复习思考题1.1.表面活性剂的概念和特点是什么？表面活性剂的概念和特点是什么？2.2.表面活性剂的一般作用有哪些？表面活性剂的一般作用有哪些？3.3.根据亲水基团的特点表面活性剂分哪几类？各举几个实例。根据亲水基团的特点表面活性剂分哪几类？各举几个实例。4.4.试试述述直直链链烷烷基基苯苯磺磺酸酸钠钠阴阴离离子子表表面面活活性性剂剂的的结结构构、合合成成方方法法、主要性能和用途。主要性能和用途。5.5.试试述述烷烷烃烃和和烯烯烃烃磺磺酸酸钠钠阴阴离离子子表表面面活活性性剂剂的的结结构构、合合成成方方法法、主要性能和用途。主要性能和用途。6.6.试试述述脂脂肪肪醇醇硫硫酸酸盐盐和和脂脂

26、肪肪醇醇聚聚氧氧乙乙烯烯醚醚硫硫酸酸盐盐阴阴离离子子表表面面活活性性剂的结构、合成方法、主剂的结构、合成方法、主要性能和用途。要性能和用途。7.7.写出渗透剂写出渗透剂T T和胰加漂和胰加漂T T的结构式和合成方法。的结构式和合成方法。8.8.试述烷基聚氧乙烯醚磷酸酯盐的性能、主要用途和合成方法。试述烷基聚氧乙烯醚磷酸酯盐的性能、主要用途和合成方法。9.9.试述聚醚羧酸盐的性能、主要用途和合成方法。试述聚醚羧酸盐的性能、主要用途和合成方法。10.10.什么是什么是HLBHLB？如何计算？如何计算？11.11.什么是浊点？浊点与非离子表面活性剂结构间有什么关系？什么是浊点？浊点与非离子表面活性剂

27、结构间有什么关系？12.12.试试述述脂脂肪肪醇醇聚聚氧氧乙乙烯烯醚醚非非离离子子表表面面活活性性剂剂的的结结构构、合合成成方方法法、主要性能和用途。主要性能和用途。13.13.试试述述烷烷基基酚酚聚聚氧氧乙乙烯烯醚醚非非离离子子表表面面活活性性剂剂的的结结构构、合合成成方方法法、主要性能和用途。主要性能和用途。14.14.试试述述脂脂肪肪酸酸失失水水山山梨梨醇醇酯酯和和脂脂肪肪醇醇失失水水山山梨梨醇醇聚聚氧氧乙乙烯烯醚醚的的结结构、主要用途和合成方法。构、主要用途和合成方法。15.15.试试述述烷烷基基葡葡萄萄糖糖苷苷（APGAPG）的的性性能能、用用途途和和合合成成方方法法。为为什什么么说

28、说APGAPG是绿色表面活性剂？是绿色表面活性剂？16.16.试试述述脂脂肪肪醇醇酰酰胺胺非非离离子子表表面面活活性性剂剂的的结结构构、合合成成方方法法、主主要要性性能和用途。能和用途。17.17.阳离子表面活性剂有哪几类？各主要用途是什么？阳离子表面活性剂有哪几类？各主要用途是什么？18.18.试述咪唑啉系两性表面活性剂的结构和主要性能、合成方法。试述咪唑啉系两性表面活性剂的结构和主要性能、合成方法。19.19.试述烷基甜菜碱两性表面活性剂的结构和合成方法。试述烷基甜菜碱两性表面活性剂的结构和合成方法。20.20.有机氟和有机硅表面活性剂有何特点？写出它们的主要用途。有机氟和有机硅表面活性剂有何特点？写出它们的主要用途。21.21.对未来表面活性剂发展趋势谈谈你的看法。对未来表面活性剂发展趋势谈谈你的看法。