表面活性劑的性質(zhì)及其應(yīng)用

楊霄

摘 要：表面活性劑是一類同時具有親水基和親油基的兩親性分子，可以明顯降低液體的表面張力，具有乳化、潤濕、增溶和分散等作用，同時對液體產(chǎn)生泡沫有一定的影響。由于其獨特的性質(zhì)，表面活性劑被廣泛用于合成洗滌劑、乳化劑、增稠劑、殺菌劑、消毒劑、潤濕劑等。除普通表面活性劑外，還研發(fā)出了多種新型表面活性劑，這些新型表面活性劑都有與普通表面活性劑不同的結(jié)構(gòu)和特性，有著較強的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；兩親分子；Gemini；bola

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.097

現(xiàn)在人們的生活已經(jīng)離不開肥皂、洗衣粉等各類合成洗滌劑，而這些洗滌劑的有效成分正是表面活性劑。生命中細(xì)胞膜的骨架—磷脂雙分子層的本質(zhì)也是表面活性劑組裝的囊泡結(jié)構(gòu)。除此之外，它還具有抗菌，增溶，乳化，潤濕，助懸，增粘，防腐，抗靜電等功能，也常被應(yīng)用于食品和化妝品添加劑。

1 表面活性劑的概念和特點

表面活性劑（surfactant）是一類兩親性的長鏈分子，其結(jié)構(gòu)中至少含有一個親水基和一個疏水基（圖1a）。由于水是極性液體，根據(jù)相似相溶，親水基易溶于水，與水有較強的偶極作用，而疏水基則與水的作用力很弱。從而在水溶液中，親水基團(tuán)往往處于水相中，疏水基團(tuán)則在水相外自身相互作用，互相靠近，這樣使表面活性劑能夠聚集形成膠束結(jié)構(gòu)（圖1b～d）。膠束可以起到增溶，自愈合，也可以作為藥物載體。

表面活性劑在溶液中形成特殊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力在于它能降低體系的表面張力。比如，在形成膠束時，這樣的結(jié)構(gòu)使疏水基團(tuán)與水相完全分離，可以顯著降低液體表面張力?；鶊F(tuán)的親水性和親油性可以用Griffin提出的親水親油平衡值（HLB）來衡量，比如羧酸根的HLB為21.2，烷基鏈的HLB為0.475。表面活性劑在溶液內(nèi)部形成膠束的最低濃度即為臨界膠束濃度（CMC）。CMC也就是讓液體表面活性趨于穩(wěn)定的最小濃度，即在CMC濃度以上，液體表面張力不會繼續(xù)減少。CMC可以用測定表面張力和電導(dǎo)率等方法確定。

2 普通表面活性劑

普通表面活性劑的親水基團(tuán)一般是極性基團(tuán)，比如羥基、氨基、胺鹽基團(tuán)、羧基、磷酸基、硫酸基、磺酸基等；疏水基團(tuán)多為非極性長鏈烷基，一般為八個碳原子以上，有時候疏水基團(tuán)也可以是芳香基團(tuán)。普通表面活性劑最簡單的分類方法可以按親水基團(tuán)的性質(zhì)來，可以分為離子型和非離子型兩類。其中離子型包括陽離子型、陰離子型、兩性離子型三類，如表1。

3 新型表面活性劑

20世紀(jì)以來，化學(xué)家們設(shè)計了新的表面活性劑，主要有Gemini型、bola型、離子液體型、大分子表面活性劑等。

3.1 Gemini型

雙子（Gemini）型表面活性劑的結(jié)構(gòu)為一個連接基連接兩個親水基，兩個親水基再分別連接兩個疏水基（圖2a）。除去普通表面活性劑之外，還有不對稱型Gemini表面活性劑。這類Gemini表面活性劑的主要特點是兩端的親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)不都相同。這類表面活性劑可調(diào)控因素更多，也正因為此，它的合成和提純都較為困難。目前為止，不對稱Gemini表面活性劑的研究報告較少。

相比于普通表面活性劑，Gemini型表面活性劑有以下幾個特點：CMC值較低，僅為普通表面活性劑的百分之一到千分之一左右；更易在溶液表面富集，有更強的吸附能力和表面活性；對有機物的增溶能力較強；有特殊的流變性，隨著濃度增大，Gemini表面活性劑的水溶液黏度隨濃度增加時先增大后減?。灰子谏锝到?；與普通表面活性劑復(fù)配使用時有明顯的正協(xié)同效應(yīng)。

3.2 Bola型

Bola型表面活性劑的結(jié)構(gòu)為兩個親水頭基通過一個疏水基相連（圖2b），連接基團(tuán)除了烷基鏈和芳香烴之外，還可以選用其他的基團(tuán)，比如Fu合成了以金剛烷為連接基團(tuán)的bola型表面活性劑。Bola型表面活性劑的膠束形態(tài)十分多樣，Liu發(fā)現(xiàn)選用不同長度的連接基團(tuán)，可以形成不同的自組裝結(jié)構(gòu)。在堿性條件下可形成納米絲狀和層狀膠束，酸性條件下可形成球狀和納米纖維狀的膠束。Hui發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接基團(tuán)采用芳香性基團(tuán)時，由于芳香基團(tuán)之間存在π-π相互作用，膠束的形態(tài)會更加復(fù)雜。未來這類表面活性劑還有可能在光敏元件和納米級導(dǎo)線的制造等方面有重要應(yīng)用。

4 結(jié)論

新型表面活性劑的結(jié)構(gòu)異于普通表面活性劑，有著更加優(yōu)異和特殊的性能。但是由于成本等因素的影響，新型表面活性劑的應(yīng)用范圍和普及程度均不及普通表面活性劑。隨著研究的深入和更高效合成路線的發(fā)現(xiàn)，新型表面活性劑必將有無限的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]Tadros T.F.，Applied Surfactants：Principles and Applications[Z].2005.

[2]M.R.Porter.Handbook of Surfactants[Z].Blackie，London，1994.

[3]B.R.Buestein，C.L.Hiliton，Amphoteric Surfactants[Z].Marcel Dekker，New York，1982.

[4]M.J.Schick，Nonionic Surfactants：Physical Chemistry.Marcel Dekker[Z].New York，1987.

[5]張賢豐，金志紅.食品乳化劑司盤和吐溫[J].中國食品添加劑，1991，（3）：1419.

[6]高南，李國榮，陳旭東.雙子表面活性劑的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].日用化學(xué)工業(yè)，2014，44（11）：644651.

[7]張旗.新型長鏈頭基季銨鹽Gemini表面活性劑的合成及其吸附、聚集行為研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2012：2527.

[8]Menger F M，Keiper J S.：Gemini Surfactants[J].Angew.Chem.Int.Ed.，2000，39（11）：19061920.