表面活性劑研究進展及其應(yīng)用現(xiàn)狀

王 浩

(西南石油大學材料科學與工程學院，四川 成都 610500)

表面活性劑按照應(yīng)用情況可分為離子型(包括陽離子與陰離子)、非離子型、兩性、復(fù)配表面活性劑等[1-5]。表面活性劑因其具有親水基團和親油基團，能使表面張力顯著下降，因而這種助劑通過在氣液兩相界面吸附來降低水的表面張力，也可通過吸附在液體界面間來降低油水界面張力。表面活性劑按照基團結(jié)構(gòu)的特殊性，可分為陰離子、陽離子、非離子、兩性離子以及雙子表面活性劑[6]。兩性離子型和非離子型表面活性劑因其基團結(jié)構(gòu)的特殊性表現(xiàn)出更為強大的應(yīng)用性能。文章通過對表面活性劑相關(guān)研究進展和應(yīng)用情況的綜合分析，對表面活性的應(yīng)用價值和前景進行探討。

1 表面活性劑介紹

由于其離子性質(zhì)及在溶液中的行為表現(xiàn)，表面活性劑可使材料的表界面特性介于有序和無序物質(zhì)狀態(tài)之間，如可能含有的有序相(膠束)或是無序相(自由表面活性劑分子和/或離子)。特殊地則以反膠束的形式溶于非極性溶劑或其他非極性介質(zhì)中。

陰離子表面活性劑接結(jié)構(gòu)不同可分為羧酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽和磷酸酯鹽等四大類。按其親水基團的結(jié)構(gòu)分為：磺酸鹽和硫酸酯鹽，如十二烷基苯磺酸鈉。使用時若與三聚磷酸鈉等絡(luò)合劑復(fù)配，通過絡(luò)合去除鈣、鎂離子，就可在硬水、土壤污染治理中使用，以增強脫洗效果[7]。

陽離子表面活性劑主要是含氮的有機胺衍生物。由于其分子中的氮原子含有孤對電子，故能以氫鍵與酸分子中的氫結(jié)合，使氨基帶上正電荷。因此，它們在酸性介質(zhì)中才具有良好的表面活性，而在堿性介質(zhì)中容易析出而失去表面活性。除含氮陽離子表面活性劑外，還有一小部分含硫、磷、砷等元素的陽離子表面活性劑。

非離子型表面活性劑其親水基是由醚基、羥基和酰胺基等含氧基團構(gòu)成，可分為烷基醇酰胺、烷基酚聚氧化乙烯醚、脂肪醇聚氧化乙烯醚、多元醇多元酸及其聚氧化乙烯醚、烷基多苷及其衍生物等。因其在溶液中不是離子狀態(tài)，所以穩(wěn)定性高，不易受強電解質(zhì)無機鹽類存在的影響，也不易受pH的影響，與其他類型表面活性劑相容性好，因而綜合性能更為優(yōu)越。大多為液態(tài)、漿狀態(tài)，在水中的溶解度隨溫度升高而降低。對非離子表面活性劑來說，親水性取決于醚鍵的多少，而醚鍵與水分子會發(fā)生化學結(jié)合，并放熱，因此當水分子逐漸脫離醚鍵時，因溶解度降低而析出，溶液會出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，此時表面活性劑失去作用。剛出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象的溫度稱為濁點，而濁點越高，使用的溫度范圍廣。

雙子表面活性劑通常是用化學鍵將兩個或兩個以上的親水端基或其附近可連接部位連接在同一作用點上，用于增強表面活性劑的作用效率。該類表面活性劑有陰離子型、非離子型、陽離子型、兩性離子型及陰-非離子型、陽-非離子型等。

對于表面活性劑的實驗探究一般側(cè)重其相行為、化學結(jié)構(gòu)、物理化學性能、構(gòu)造的吸附層性能以及作用于固體基質(zhì)表面或在單一有機溶劑中形成的膠束結(jié)構(gòu)等[1]。

2 表面活性劑研究進展

對于表面活性劑的研究進展，其價值具體表現(xiàn)在與螯合劑的復(fù)配使用、吸附行為、膠束形核性質(zhì)促使的乳化、起泡體系的穩(wěn)定形成，控制以及助劑親和性與膠束行為對溶液增溶能力的提高作用。

首先，表面活性劑的應(yīng)用價值基于其膠束行為，耿衛(wèi)東等人[5]以異辛醇為起始劑，經(jīng)過烷氧基化、氣體SO3硫酸化和氫氧化鈉中和等步驟合成的異辛基陰離子型Extended表面活性劑，其臨界膠束濃度顯著降低。而其膠束行為的相對穩(wěn)定性則使得表面活性劑具有較好的應(yīng)用價值，如匡建通過微乳液聚合制備的Gemini新型表面活性劑，其主要作為W/O微乳液包載姜黃素的生物醫(yī)學應(yīng)用表面活性劑，在使其形成膠束作用的同時，穩(wěn)定包覆姜黃素，使得黃姜素藥物的釋放速率變慢[6]。李漫等[2]采用接枝反應(yīng)成功制備兩性高分子表面活性劑CHPDMDHA-g-N,O-CMC，乳化穩(wěn)定性高達195 s。而張歡等[7]則以順丁烯二酸酐(MAH)和長鏈胺為原料，合成了一系列表現(xiàn)為克拉夫特點隨鏈長增加而升高的酰亞胺型羧酸鹽表面活性劑。這種表面活性劑優(yōu)異的乳化性能有穩(wěn)定的起泡能力，疏水性能進一步提高，相界面性質(zhì)顯著增強。

其次，同時具備表面活性劑和表現(xiàn)出對苯組分的親和性，則是基于其是否富親水基團或富疏水基團。夏雨等[3]以三乙醇胺、環(huán)氧氯丙烷和丙三醇為原料，經(jīng)過季銨化反應(yīng)以及中間體開環(huán)醚化反應(yīng)，合成了一種具有一定異構(gòu)結(jié)構(gòu)的多羥基三季銨鹽，可作為金屬清洗用途的無泡陽離子表面活性劑，其長碳鏈使得表面活性劑的親油性得到顯著增強，而由于含氧基團的存在，水溶性相對仍保持正常，因而對油基雜質(zhì)的攜帶能力相對更強。而張振偉等[4]以環(huán)己烯二甲酸二甲酯、N,N-二甲基-1,3-丙二胺、溴代十四烷為原料合成了一種新型雙子陽離子表面活性劑十四烷基環(huán)己烯基二甲酰胺類雙季銨鹽(KB-14)，增溶能力明顯。

此外，其功能的應(yīng)用與多功能性的發(fā)展使得表面活性劑的研究方向更為多樣化。如A.Y.El-Etre等人[8]合成的一種表面活性劑3-癸酰胺基-丙基-乙基-二甲基碘化銨(DAEI)，通過表面活性劑對金屬表面的較強親和性，形成類保護涂層，可用于鋁金屬的防腐保護。而冉文靜[9]通過表面活性劑改變復(fù)雜物質(zhì)的表面性質(zhì)，從而增強螯合劑對物質(zhì)內(nèi)部重金屬離子的吸附螯合幾率，使其在重金屬污染方面與螯合劑發(fā)揮了去污增強的協(xié)同作用。彭忠利等人[10]則采用合成性質(zhì)的ED3A類螯合型表面活性劑，通過增強表面活性劑的吸附性能，獲得了相對性能較佳的重金屬離子去除能力，使其更為適合用于重金屬污染土壤的淋洗修復(fù)。

3 表面活性劑應(yīng)用研究

表面活性劑通常作為增溶劑、降黏劑、乳化劑在化工合成等試驗探究以及油氣開采等工程方面廣泛使用。借助表面活性劑對表面張力的改善等效果，提高界面的親水性能或潤濕性能。綜合來說，應(yīng)用研究則集中在去污能力、潤濕性能、增溶能力、降黏行為、膠束形核行為等幾方面。其去污能力、潤濕性能與增溶能力以及在增溶劑、乳化劑、降黏劑或特殊防腐材料上的應(yīng)用是基于表面活性劑對雜質(zhì)組分的親和性與吸附行為[7-11]。而其降黏能力則是通過其強電荷性質(zhì)，有效控制體系中增黏組分分子鏈的有效纏結(jié)或是控制原油的黏滯性，以有效降低黏度。

常規(guī)性能方面，鄭江鵬[11]、劉勇等[12]采用復(fù)合表面活性劑的大幅降低原油黏度。王慧等[13]采用表面活性劑作為水基油污清洗劑，并通過去污能力的綜合性能對比，復(fù)配新的油污清洗劑配方。張振偉等[4]則通過表面活性劑的使用提高溶液中鄰苯二甲酸二甲酯的溶解度。Zahari Vinarov等則列舉了多種可對黃體酮增溶的表面活性劑。李奎等[14]通過油脂與蔗糖轉(zhuǎn)酯合成了含蔗糖脂肪酸酯及甘油單酯的生物基表面活性劑，其乳化性能和起泡能力、泡沫穩(wěn)定性均優(yōu)于商品蔗糖酯SE-15，應(yīng)用效果較好。

表面活性劑由于具備潤濕效果好、去污能力強等優(yōu)良性能，并基于親水基團、親油基團兩大結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用范圍逐漸擴大，在金屬清洗、土壤修復(fù)和水處理等方面都被采用。牟建海[15]提出了用于噴淋清洗的可顯著降低起泡性的低泡表面活性劑。刁靜茹等[16]提出，新型螯合表面活性劑N-LED3A在保證高效洗脫土壤重金屬離子的同時，最大程度地避免了其吸附土壤的副效應(yīng)，極大提高了實際土壤修復(fù)效率。A.Y.El-Etre等人[8]提出，采用陽離子表面活性劑DAEI可大幅提高鋁金屬在0.5 mol/L的鹽酸溶液中的抗腐蝕性能，實驗效果顯著。Mostafa keshavarz Moraveji等[17]提出，表面活性劑有助于加快甲烷水合物的形成速率，并縮短其誘變時間，可作為該反應(yīng)的促進劑使用。M.P.Andersson等則采用表面活性劑改性金屬納米粒子催化劑，通過形成膠束結(jié)構(gòu)反應(yīng)體系，降低成本和金屬資源消耗，獲得較快的反應(yīng)速率，并進一步降低環(huán)境影響。Yingjie Li等采用新性表面活性劑FTMA改性蒙脫土，用于吸附水中的有機污染物。這種新的改性蒙脫土具有循環(huán)高效使用的特點，因而更具有應(yīng)用價值。表面活性劑作為添加劑，在新能源與高效節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用，其中包括燃料電池催化劑、乳化燃油中的乳化劑等[18]。此外，借由親水、親油特性表現(xiàn)出的降低界面張力的作用，表面活性劑也常常作為消泡劑與起泡劑使用[19-20]。

4 結(jié)語

一般而言，溶液中表面活性劑的正吸附行為有利于提高實驗的成功性，如乳液或微乳液聚合體系、催化體系等，通過提高體系內(nèi)組分的潤濕性、乳化性和起泡性等表界面性能，從而使得特殊條件下的反應(yīng)能夠順利進行。而對于固體表面表面活性劑的使用，則側(cè)重于應(yīng)用效果，如金屬表面的清洗、土壤表層的重金屬離子污染治理，并且多以吸附行為為主，其中又包括非極性固體表面單層吸附和極性固體表面可能的多層吸附。根據(jù)應(yīng)用體系的性質(zhì)和具體應(yīng)用環(huán)境，有時要求表面活性劑具有不同的親水親油結(jié)構(gòu)和相對密度，通過選用親水基或親油基種類及所占比例，確定基團在分子結(jié)構(gòu)中的位置，可以獲得親水親油平衡狀態(tài)。