精細(xì)化工中表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)與應(yīng)用性能研究

那宏壯

（黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

表面活性劑是一種具有固定親水親油基團(tuán)的物質(zhì)，由于這種物質(zhì)能夠在溶液表面自動(dòng)定向排列，因此，在將其加入到溶液中后，往往會(huì)使溶液體系的界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化，并為新材料制備、農(nóng)藥與醫(yī)藥生產(chǎn)、紡織工業(yè)、污水處理等諸多行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供重要幫助。從目前來(lái)看，由于表面活性劑的種類非常之多，因此，可溶于水，且能夠顯著降低水表面能的物質(zhì)，都被統(tǒng)稱為表面活性劑，這其中包括磷脂、膽堿、蛋白質(zhì)等天然表面活性劑，也包括直鏈烷基苯磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸銨、烷基聚醚等合成表面活性劑，而根據(jù)極性基團(tuán)解離性質(zhì)的不同，還可分為非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑等幾大類，為具體應(yīng)用多種功能[1]。

1 精細(xì)化工中表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)

1.1 表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)看，表面活性劑分子通常都是由非極性烴鏈（8個(gè)碳原子以上）及兩個(gè)或更多的極性基團(tuán)組成，由于分子中的基團(tuán)性質(zhì)完全不同，因此，根據(jù)性質(zhì)上的差異，基團(tuán)一般會(huì)被分為兩種，其一是長(zhǎng)鏈的碳?xì)浠衔锘蛴袡C(jī)氟、有機(jī)硅、有機(jī)磷、有機(jī)錫鏈等，具有著能溶于油但不能溶于水的特點(diǎn)，因此，被稱為疏水基團(tuán)（憎水基）或親油端、有機(jī)端，而另一端則為水溶性集團(tuán)，具有著能溶于水而不溶于油的特點(diǎn)，被稱為親水基團(tuán)、親水端、離子端。由于表面活性劑具有著兩親性性質(zhì)（既能溶于水，也能溶于油），因此，只要將其放入水溶液中，構(gòu)成表面活性劑分子的基團(tuán)都會(huì)至少融入液相中的其中一相，并以膠束團(tuán)的形式存在于水溶液之中，這時(shí)表面積活性分子的親油端會(huì)指向中心，而親水端則會(huì)指向外部溶液，形成起到滲透、增溶、乳化、洗滌等多方面作用，這正是對(duì)表面活性劑應(yīng)用價(jià)值的充分體現(xiàn)。

1.2 不同表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)差異

由于表面活性劑的功能與其分子結(jié)構(gòu)間有著密不可分的關(guān)系，因此，各類表面活性劑不僅會(huì)在功能上存在一定差異，其分子結(jié)構(gòu)也會(huì)體現(xiàn)出一定的不同，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在變化較多的親水基上。例如，陰離子表面活性劑的親水基團(tuán)通常為帶負(fù)電的原子團(tuán)，比較常見(jiàn)的有羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽（包括芳基）、磷酸酯鹽、脂肪酰-肽縮合物等等，可作為乳化劑、洗滌劑、發(fā)泡劑、濕潤(rùn)劑等。陽(yáng)離子表面活性劑的親水基團(tuán)則為帶正電的原子團(tuán)，常見(jiàn)的有季銨鹽咪唑啉、嗎啉胍類、三嗪類等等，這類表面活性劑并不具備陰離子表面活性劑的去污能力，但卻可以作為消毒劑、乳化劑、抗靜電劑、殺菌劑、防霉劑等使用。兩性離子表面活性劑的親水基團(tuán)由陰離子與陽(yáng)離子共同組成，即同時(shí)存在酸性基與堿性基，其表面活性會(huì)受到溶液酸堿性質(zhì)的影響，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩性離子表面活性劑被放入堿性溶液中時(shí)，分子會(huì)呈陰離子表面活性，反之如與酸性溶液接觸，則會(huì)呈陽(yáng)離子表面活性，在中性溶液中，還會(huì)呈非離子表面活性。從目前來(lái)看，較為常見(jiàn)的兩性表面活性劑主要有卵磷脂、氨基酸型、甜菜堿型等，與其他類型的表面活性劑相比，這類表面活性劑具有著殺菌性、抑霉性、乳化性、分散性以及對(duì)織物的柔軟平滑性和抗靜電性，因此，常被作為織物整理助劑、染色助劑、鈣皂分散劑、干洗劑、金屬緩蝕劑使用[2]。

2 精細(xì)化工中表面活性劑的應(yīng)用性能分析

2.1 增溶作用

表面活性劑的增溶作用主要取決于其臨界膠束濃度情況，臨界膠束濃度是指表面活性劑分子在被放入水溶液后，凝合形成膠束團(tuán)的最低濃度，當(dāng)表面活性劑分子在水溶液中膠束濃度超過(guò)了這一最低濃度標(biāo)準(zhǔn)，表面活性劑分子就會(huì)以各種形狀進(jìn)行排列組合，在水中形成團(tuán)狀、層狀、棒狀等各種形態(tài)的膠束，由于這些膠束尾部會(huì)形成可包裹油滴的核，因此水溶液的表面張力會(huì)大大降低，而各種油性物質(zhì)也會(huì)在這樣的水溶液中逐漸溶解。

2.2 潤(rùn)濕作用

潤(rùn)濕作用是指表面活性劑能夠?qū)σ后w、固體之間的濕潤(rùn)程度進(jìn)行有效控制，這主要是由于表面活性劑分子中的極性基團(tuán)具有著兩親性，在與固體接觸并附著在固體表面后，具有低表面特性的碳?xì)浠鶊F(tuán)會(huì)裸露在外，并改變固體的濕潤(rùn)性，使其濕潤(rùn)性能大大增加。另外，由于表面活性劑可以有效降低水溶液的表面張力，因此，在液體表面收縮力下降的情況下，能夠從固體表面有效滲透到固體內(nèi)部，而與之接觸的固體潤(rùn)濕性能也會(huì)得到較大的提升。當(dāng)然，并非所有表面活性劑具有著潤(rùn)濕作用，有些類型的表面活性劑，由于內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)比較特殊，因此，其應(yīng)用性能并不能夠體現(xiàn)在潤(rùn)濕作用上，例如，陽(yáng)離子表面活性劑的親水基中存在正電荷，而固體表面則通常會(huì)存在負(fù)電荷，如果將固體放入到存在陽(yáng)離子表面活性劑的水溶液中，那么熱固體表面的負(fù)電荷就會(huì)與表面活性劑中的正電荷互相吸附，并形成一層包裹在固體表面的親油基，這不僅不會(huì)對(duì)固體起到潤(rùn)濕作用，甚至還會(huì)對(duì)液體向固體的滲透起到阻礙。

2.3 乳化作用

乳化作用可以簡(jiǎn)單理解為對(duì)兩種原本互不相溶的液體進(jìn)行調(diào)和，使其能夠形成穩(wěn)定的乳狀液。一般來(lái)說(shuō)，如不同液體間存在著互不相溶的關(guān)系，那么單純的攪拌根本無(wú)法改變混合液體的穩(wěn)定性，要想解決這一問(wèn)題，通常都需要加入乳化劑，而表面活性劑則正是最為常見(jiàn)的乳化劑之一，在表面活性劑作為第三組分溶液進(jìn)入到混合溶液中后，由于其本身具有著兩親性的特點(diǎn)，既能夠溶于水也可以溶于油，因此，其中一種溶液就會(huì)在與表面活性劑相融合后逐漸分散，最終完全分散到另一種溶液之中，例如在油與水的乳化形式中，無(wú)論是水包油還是油包水，都是按照這一方式形成乳化液的[3]。

2.4 起泡與破泡作用

在各種水溶液中，之所以會(huì)出現(xiàn)各種各樣的泡沫，主要是由于氣體從液面下方進(jìn)入到了液體之中，使液體發(fā)生了膨脹，在膨脹過(guò)程中，氣體周?chē)囊后w會(huì)隨著膨脹而逐漸成為液膜，將氣體包裹起來(lái)，最終形成氣泡，而從這一原理來(lái)看，表面活性劑同樣也有著促使水溶液形成氣泡的作用。在表面活性劑融入水溶液中后，由于表面活性劑分子中的疏水基不溶于水，因此會(huì)逐漸伸向氣體中的空氣，而親水基憑借著其親水的特性，則會(huì)伸向液相的吸附膜，這樣一來(lái)，隨著表面活性劑的加入，水溶液中的氣泡會(huì)變得越來(lái)越多，并逐漸上浮到水溶液表面，如氣泡內(nèi)的空氣過(guò)多，甚至還會(huì)也出液面形成雙分子薄膜，而這正是表面活性劑氣泡作用的充分體現(xiàn)。當(dāng)然，由于水溶液氣泡的形成與水溶液表面張力有關(guān)，因此，在氣泡大量形成后，如果加入表面活性劑使水溶液液面的部分區(qū)域表面張力下降，那么在表面張力存在差異的情況下，泡沫液膜就會(huì)迅速變薄，最終在達(dá)到破裂點(diǎn)后發(fā)生破裂。由此可見(jiàn)，表面活性劑也同樣具有著破泡作用。

2.5 洗滌作用

洗滌是指將污物從固體表面去除掉，而表面活性劑之所以能夠?qū)⑽畚飶墓腆w表面去除的洗滌作用，則是受到了其潤(rùn)濕、滲透、乳化、分散等多方面功能作用的綜合影響。首先，在衣物等各類固體沾染污物后，如果能將其放入含有表面活性劑的洗滌劑溶液中，那么在碳?xì)浠鶊F(tuán)的影響下，固體潤(rùn)濕性能會(huì)大大提升，溶液則會(huì)在固體被潤(rùn)濕后逐漸滲透到固體內(nèi)部，這樣一來(lái)，即便是油脂、血液等污物同樣滲透到固體內(nèi)部，也能夠與洗滌劑溶液充分接觸，從而為污物的徹底清除創(chuàng)造良好條件[4]。其次，在洗滌劑溶液與污物接觸并使其從固體上脫落后，脫落后的污物則會(huì)受其表面活性劑的乳化作用影響，逐漸分解并溶于溶液之中，這樣只需用清水將固體上帶有的表面活性劑溶液清洗干凈，就可以將原本存在于固體上的污物清洗干凈，達(dá)到良好的洗滌效果。最后，由于不同表面活性劑的功能不同，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，不同固體洗滌所用的表面活性劑也會(huì)存在較大差異，例如，對(duì)于一些染上皮脂污垢的衣物，可利用以非離子表面活性劑為主的液體洗滌劑，而如需要對(duì)蔬菜、水果等東西進(jìn)行洗滌，則需要利用由非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑配合的廚房用洗滌劑，以避免出現(xiàn)毒性殘留、食物色香味被破壞、皮膚損傷等問(wèn)題。

3 表面活性劑的實(shí)際應(yīng)用

3.1 表面活性劑在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

表面活性劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在農(nóng)藥配置與廢物好氧堆肥兩方面。在農(nóng)業(yè)配置過(guò)程中，由于可濕性粉劑等很多化學(xué)農(nóng)藥的原藥含有大量有機(jī)化合物，而有機(jī)化合物又具有著不溶于水的特點(diǎn)，因此要想讓農(nóng)藥融入到水溶液中，就必須要添加表面活性劑來(lái)降低水溶液的表面張力，使水溶液中能夠滲入到固體藥粒之中，最終使藥粒逐漸溶解為液體藥劑。另外為提高部分藥劑的附著性與沉積量，使其能夠在噴灑后更好的擴(kuò)散、釋放，同樣也會(huì)在藥劑中添加適量的表面活性劑。而在廢物好氧堆肥中的，表面活性劑則主要其生物降解作用，在好氧堆肥過(guò)程中，好氧菌雖然能夠?qū)U物進(jìn)行吸收、氧化、分解，并將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，但由于纖維素類廢物比較難降解，因此，如廢物中的纖維素類物質(zhì)較多，那么就需要添加表面活性劑，利用其乳化、分散作用來(lái)加快這類物質(zhì)的生物降解速度，從而縮短好氧堆肥的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)堆肥效果的提升。另外由于廢物能夠完全被微生物降解，因此，添加表面活性劑后還可以省略好氧堆肥中的后續(xù)處理環(huán)節(jié)，消除產(chǎn)物還田所帶來(lái)的的安全隱患[5]。

3.2 表面活性劑在皮革生產(chǎn)中的應(yīng)用

表面活性劑在皮革生產(chǎn)中的應(yīng)用十分普遍，其在實(shí)際應(yīng)用所發(fā)揮出的作用也同樣是非常多樣的。例如，在對(duì)原皮進(jìn)行加工之前，通常都需要用表面活性劑（浸水助劑）來(lái)清洗原皮，在清洗過(guò)程中，由于表面活性劑本身具有良好的潤(rùn)濕作用，因此，能夠?qū)⒃ど系母鞣N污物、防腐處理殘留清除干凈，使原皮達(dá)到最接近鮮皮的狀態(tài)，這時(shí)再對(duì)皮革進(jìn)行加工，就可以使皮革制品的質(zhì)量大大提升。而在原皮加工過(guò)程中，由于皮革本身的柔軟程度與油脂有關(guān)，而油脂又很難滲入到深層皮纖維之中，因此加工人員常常會(huì)加入表面活性劑（加脂劑）對(duì)皮革進(jìn)行處理，皮革在與表面活性劑相接觸后，其表面的油脂會(huì)在表面活性劑的乳化作用下乳化，并隨著表面活性劑滲入到深層皮纖維之中，讓皮革變得更加柔軟。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，表面活性劑作為當(dāng)前精細(xì)化學(xué)品中最為常見(jiàn)的一種，其不僅具有著種類眾多的特點(diǎn)，同時(shí)還能在洗滌、農(nóng)藥加工、化妝品加工等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮出非常重要的作用。但從目前的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，要想使表面活性劑得到更好的應(yīng)用，未來(lái)還需對(duì)各類表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行熟悉，并深入了解其在滲透潤(rùn)濕、起泡破泡、乳化、洗滌等方面的應(yīng)用性能。