物質介紹
味素作為一種鮮味物質在我們的飲食生活中可謂是無所不及。其實在工業生產中也有一種和味素很類似的物質,用量不需太多,可作用十分神奇,這類物質就是通常所說的表面活性劑。
表面活性劑又稱界面活性劑,它能顯著改變液體表面張力和二相間界面張力,從而具有許多奇特的作用,知潤濕、乳化、分散、起泡和消泡、防靜電、防摩擦等。按照共用途可分為洗滌劑、潤濕劑、乳化劑、分散劑、起泡劑等;按照其在水中的電離情況又可分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型四大類。它們在結構上的共同特徵是,分子中同時含有親水基團和親油基團。這種特殊的分子結構使其通過改變液體的表面性質而達到特定的目的。
我們普遍使用的合成洗滌劑的主要成分為十二烷基苯磺酸鈉,它是一種典型的陰離子表面活性劑,具有很強的去污能力,並且直鏈的烷基可被某些微生物所降解,不致污染自然水源。而合成洗滌劑中所含的硫酸鈉、三聚磷酸鈉、矽酸鈉、欺甲基纖維素等成分只起輔助作用。
牙膏、香波等日用品之所以能夠產生泡沫,是因為其配方中添加了發泡劑的緣故。像海綿橡膠、泡沫塑膠等產品在生產過程中通常需使用發泡劑H。然而在某些場合又要求無泡或低泡,如發酵、造紙、制膠、印花、污水處理等。那怎么辦呢?通常採用添加消泡劑的辦法來解決。發泡劑和消泡劑都屬於表面活性劑的“家庭成員”。
化妝品、農藥、醫藥大多呈穩定的乳狀液,原來也是表面活性劑在起作用,這類表面活性劑叫乳化劑。存在於大豆中的一種天然物質大豆磷脂就是一種乳化劑,在生產朱古力時通常用其降低朱古力漿的稠度,以便於注模;在製造奶油味硬糖時一般添加0.2%左右的磷脂就可達到乳化的目的。可是在有些場合又需要將油水分離,如開採的原油中含有一定的水份,要除去其中的水份當然首先要“破乳”了,破乳也得靠表面活性劑來完成。
發展歷史
肥皂是使用最早的表面活性劑之一，公元前7～前6世紀已經開始使用。肥皂遇到硬水會產生沉澱，且在酸性溶液中不穩定。紅油（又名土耳其紅油），是蓖麻油硫酸化產物（陰離子表面活性劑），1875年首次由德國巴登苯胺純鹼公司合成,是第一個合成的表面活性劑,用於紡織和皮革工業。第一次世界大戰時，德國研究成功從萘、丙醇或丁醇用發煙硫酸生產烷基萘磺酸鹽，可以用來代替肥皂，因而節省了制皂用的動植物油脂。烷基萘磺酸鹽的冼淨能力雖然較差，但具有良好的潤濕和滲透能力，且不受硬水或酸性溶液的影響，所以仍被廣泛採用。1936年隨著石油化工的發展，美國首先研究成功由苯和煤油製成烷基苯磺酸鹽。後來，由於添加各種助劑和改進生產技術，以烷基苯磺酸鹽為主要組分的合成洗滌劑，在套用性能和成本方面都比肥皂優越，開始大量在生產和生活中套用。此後，合成洗滌劑在洗滌用品總量中所占的比重逐年上升，1982年世界合成洗滌劑的產量已達28Mt，已經超過肥皂並繼續增長。以合成洗滌劑為代表的表面活性劑的研究和生產發展迅速，現已成為重要的化工生產部門，表面活性劑的品種已有幾千種。
主要作用
乳化作用
由於油脂在水中表面張力大，當水中滴入油脂後，用力攪拌，油脂被粉碎成細珠狀，互相混合成乳濁液，但攪拌停止又重新分層。如果加入表面活性劑，用力攪拌，停止後很長時間內卻不易分層，這就是乳化作用。其原因是油脂的疏水性被活性劑的親水基團所包圍，形成定向的吸引力，降低了油在水中分散所需要的功，使油脂得到很好的乳化。
潤濕作用
零件表面上往往粘附有一層蠟、油脂或鱗片狀的物質，這些物質是疏水性的。由於這些物質的污染，零件表面不易被水潤濕，當水溶液中加入表面活性劑時，零件上的水珠就很容易分散開來，使零件的表面張力大大降低，達到潤濕目的
增溶作用
油類物質中加入表面活性劑後，才能“溶解”，但是這種溶解只有在表面活性劑的濃度達到膠體的臨界濃度時才能發生，溶解度的大小根據增溶對象和性質來決定。就增溶作用而言，長的疏水基因烴鏈要比短烴鏈強，飽和烴鏈比不飽和烴鏈強，非離子表面活性劑增溶作用一般比較顯著。
分散作用
灰塵和污粒等固體粒子比較容易聚集在一起，在水中容易發生沉降，表面活性劑的分子能使固體粒子聚集體分割成細小的微粒，使其分散懸浮在溶液中，起到促使固體粒子均勻分散的作用。
泡沫作用
泡沫的形成主要是活性劑的定向吸附作用，是氣液兩相間的表面張力降低所致。一般低分子活性劑容易發泡，高分子活性劑泡沫少，豆蔻酸黃髮泡性較高，硬脂酸鈉發泡性最差，陰離子活性劑發泡性和泡沫穩定性比非離子型好，如烷基苯磺酸鈉發泡性很強。通常使用的泡沫穩定劑有脂肪醇醯胺、羧基甲基纖維素等，泡沫抑制劑有脂肪酸、脂肪酸酯、聚醚等及其它非離子表面活性劑。
分類
表面活性劑按分子結構特性可分為陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑、陽離子表面活性劑。
陰離子表面活性劑
磺酸鹽
此類活性劑常見的有直鏈烷基苯磺酸鈉和 α-烯基磺酸鈉。
直鏈烷基苯磺酸鈉別名 LAS 或 ABS，為白色或淡黃色粉狀或片狀固體，在復配表面活性劑體系中溶解性很好，對鹼、稀酸和硬水都比較穩定。常用於洗潔精(餐具液洗劑) 和衣用液體洗滌劑，一般不用於洗髮香波，很少用於淋浴液。在洗潔精中其用量可占表面活性劑總量的一半左右，在衣用液體洗滌劑中所占比例實際調節範圍較寬。套用於洗潔精比較典型的復配體系是三元體系“LAS（直鏈烷基苯磺酸鈉）-AES（醇醚硫酸鈉）-FFA（烷基醇醯胺）”。直鏈烷基苯磺酸鈉突出的優點是穩定性好、去污力強、環境危害極小，能很好地被生物降解為無害物、價格低廉。突出的缺點是刺激性大。
α- 烯基磺酸鈉別名 AOS，極易溶於水，它在廣泛的 p H 值範圍內都有較好的穩定性。在磺酸鹽品種中，性能較好。突出的優點是穩定性好，水溶性好，配伍性好，刺激性小，微生物降解也非常理想，是洗髮香波和淋浴液中常使用的主表面活性劑之一。其缺點是價格較貴。
硫酸鹽
此類活性劑常見的有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基硫酸鈉。
脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉別名 AES、醇醚硫酸鈉。易溶於水，在洗髮香波、淋浴液、餐具液體洗滌劑(洗潔精)、衣用液體洗滌劑中都可套用。水溶性比十二烷基硫酸鈉更好，在常溫下本身就可配成任何比例的透明水溶液。在液體洗滌劑中的套用比直鏈烷基苯磺酸鈉更廣泛，配伍性更好；能夠與許多表面活性劑二元復配或多元復配成透明水溶液。突出的優點是刺激性小、水溶性好、配伍性好、在防皮膚乾裂粗糙方面表現好。缺點是在酸性介質中的穩定性稍差，去污力次於直鏈烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉。
十二烷基硫酸鈉別名 AS、K 12、椰油醇硫酸鈉、月桂醇硫酸鈉發泡劑，對鹼和硬水不敏感，在酸性條件下穩定性次於一般磺酸鹽，接近於脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，易降解，對環境危害極小。在液體洗滌劑中套用，酸度不能太高；在洗髮香波和沐浴液中使用其乙醇胺鹽或銨鹽,不僅可增加耐酸穩定性，還有益於降低刺激性。除發泡性好和去污力強外，其他方面的使用性能都不如醇醚硫酸鈉。在常見陰離子表面活性劑中價格一般比較高。
陽離子表面活性劑
陽離子表面活性劑與各種類型表面活性劑相比，陽離子表面活性劑的調整作用最突出，殺菌作用最強，儘管有去污力差，起泡性差，配伍性差、刺激性大，價格昂貴等缺點。陽離子表面活性劑不直接與陰離子表面活性劑配伍，只能作為調理劑組分或殺菌劑來使用。陽離子表面活性劑在液體洗滌劑中作為輔助表面活性劑（配方用量很少的調理劑組分）一般用於較高檔次產品，主要用於洗髮香波。作為調整劑組分在高檔次液體洗滌劑洗髮香波中不是其他類型表面活性劑所能替代的。
常見陽離子表面活性劑品種有十六烷基二甲基氯化銨(1631)、十八烷基三甲基氯化銨(1831)、陽離子瓜爾膠(C-14 S)、陽離子泛醇、陽離子矽油、十二烷基二甲基氧化胺(OB-2)等。
兩性離子表面活性劑
兩性表面活性劑指兼有陰離子和陽離子性親水基的表面活性劑，因此這種表面活性劑在酸性溶液中呈陽離子性，在鹼性溶液中呈陰離子性，而在中性溶液中有類似非離子的性質。兩性表面活性劑易溶於水，溶於較濃的酸、鹼溶液，甚至在無機鹽的濃溶液中也能溶解，耐硬水性好，對皮膚刺激性小，織物柔軟性好，抗靜電性好，有良好的殺菌作用，與各種表面活性劑的相容性好。重要的兩性表面活性劑品種有十二烷基二甲基甜菜鹼、羧酸鹽型咪唑啉等。
非離子表面活性劑
非離子表面活性劑具有良好的增溶、洗滌、抗靜電、刺激性小、鈣皂分散等性能；可套用 p H 範圍比一般離子型表面活性劑更寬廣；除去污力和起泡性外，其他性能往往優於一般陰離子表面活性劑。在離子型表面活性劑中添加少量非離子表面活性劑，可使該體系的表面活性提高（相同活性物含量之間比較）。主要品種有烷基醇醯胺（FFA）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AE）、烷基酚聚氧乙烯醚（APE 或 OP）。
烷基醇醯胺（FFA）是一類性能優越和用途廣泛及使用頻率很高的非離子表面活性劑，在各種液體洗滌劑中常用。在液體洗滌劑中使用常與醯胺配伍，配比一般為“2∶1”和“1.5∶1”（烷基醇醯胺∶醯胺）。烷基醇醯胺可以在一般稍偏酸性和鹼性洗滌劑中套用，是非離子表面活性劑中價格最便宜的一個品種。
套用
隨著科學技術的發展,尤其是化學工業的進步’及相關學科的滲透.促使表面活性劑的作用和套用越趨廣泛而深入,大到礦物的開採和能源的開發,小至細胞的作用和酶的效應,均能找到表面活性劑的蹤影。而今表面活性劑的套用早不限於洗滌劑的去污活性物、牙膏的去垢劑、化妝品乳化劑等日化工業方面,而已遍及石油化工、能源開發、醫藥工業等其他生產領域。
石油開採
石油開採中,使用表面活性劑的加水稀溶液,或表面活性劑與油和水的混合濃溶液進行油田的採油,可提高原油開採率15%一20%。由於表面活性劑具有降低溶液粘度的性能,鑽井時使用,使原油粘度下降,減少或防止卡鑽事故的發生。亦能使不再噴油的老井重新復噴。
能源開發
表面活性劑還能在能源開發方面作出貢獻。如今在世界石油價格上漲,油源緊張的形勢下,發展油--一煤混合燃料意義深遠。即在工藝中加入表面活性劑可製成流動性能很高的新型燃料,這種燃料可代替汽油,作為動力能源。之外在汽油、柴油和重油中加入起乳化作用的表面活性劑,不但節省油源,而且可提高熱效應,還可減輕對環境的污染。因此表面活性劑對能源開發有著深遠意義。
紡織工業
表面活性劑在紡織工業上的套用已有長久歷史。合成纖維較天然纖維有著粗糙、不夠蓬鬆,易產生靜電吸附塵埃的弊端及吸濕性和手感差等缺點,若以專用表面活性劑處理之後,上述合成纖維的缺陷可大大改善。之外表面活性劑也是紡織印染業的柔軟劑、抗靜電劑、潤濕滲透劑、乳化劑。可見表面活性劑在紡織印染業中的套用是十分廣泛的。
金屬清洗
在金屬清洗方面,傳統的溶劑是汽油、煤油、四氯化碳等有機溶劑。據有關資料統計,全國每年用於清洗金屬件的汽油竟高達50萬噸。而以表面活性劑配製成的水基金屬清洗劑,可節約能源。據測算:一噸金屬清洗劑可代替20噸汽油,而1噸石油原料可製成4噸金屬清洗劑,可見表面活性劑對於節約能源有著深遠意義。之外表面活性劑金屬清洗劑還具有無毒、不致燃爆、不污染環境以及保障工人安全的特點。這類金屬倩洗劑現已推廣套用於航天發動機、飛機、軸承等不同種類的金屬零部件的清洗方面。
食品工業
食品工業中,表面活性劑是製作食品的多功能助劑。食品用表面活性劑有著優良的乳化、潤濕、防粘、保鮮及絮凝作用。由於這類特殊的添加劑作用,可使糕點起酥,發泡性食品起泡,麵包鬆軟,人造奶油、蛋黃醬、冰淇淋等產品原料均勻地分散乳化開來,對提高製品的製作工藝和產品的內在質量均有著奇特的功效。
農業
農藥是一種乳狀液體,由於液體表面張力的原因,噴灑在植物葉面上有不易鋪展開來的缺憾。若在農藥的配液中加入表面活性劑,藉助於表面活性劑能夠降低液體表面張力的作用,即乳液失去表面活性,農藥乳液將容易地展敷在葉面上,這樣其殺蟲效果會更好。
