表面活性剂的结构功能及应用一、前言：表面活性剂事一类有机化合物，他们的结构特点使得这类化合物具有应用范围广、使用灵活、用量极少、性能优越的特点，因而被誉为“工业味精”，在显著改善界面物理化学性质、改进生产工艺、降低消耗和提高产品质量等方面都表现出其性能的优势。

而事实上，进来研究表明，表面活性剂并不单单扮演着“工业味精”的功能。

表面活性剂所形成的分子有序聚集体在各种过程如湿润、增溶、乳化、分散等中发挥着重要的作用，尤其是进入现代科技时代，表明活性剂在纳米材料的合成及性能优化、DNA及药物等医学领域、分子探针技术甚至生命科学、能有科学、信息科学等方面发挥着重要的作用，成为物理、化学、生物三大基础科学和许多技术部门共同关心的领域。

作为一门新的学科分支，表面活性剂的原理、应用及其特殊功能早已成为各个领域学者的共同需要。

二、表面活性剂的定义：从原则上讲，凡是能降低表面张力的物质都具有表面活性，然而表面活剂则是指能显著降低溶剂(一般为水)表面张力和液一液界面张力，并具有一定结构具有亲水亲油特性和特殊吸附性能的物质。

表面活性剂之所以能显著降低表面张力和液一液界面张力，原因在于其具有两亲结构特征，但并不是所有具有两亲结构的分子都是表面活性剂。

甲酸、乙酸、丙酸、丁酸都具有两亲结构，但并不是表面活性剂，而只是具有表面活性而已。

只有疏水基足够大的两亲分子才显示表面活性剂的特性。

对于正构烷基来说，碳链长度须在8个碳原子以上。

如果疏水基过大，则溶解度太小，应用受到限制。

自从人们发现基于两亲分子不溶膜的LB技术可作为分子组装的重要手段以来，两亲分子不溶物也由此受到重视。

多数表面活性剂的疏水基呈长链状，人们常形象地把疏水基叫做“尾巴”，亲水叫做“头”。

整个表面活性剂分子常以图1．1所示图形示意。

三、表面活性剂的分类：从结构看，所有的表面活性剂都是由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成。

亲水基与水分子作用，使表面活性剂分子引入水；而亲油基与水分子相排斥，与非极性或弱极性溶剂分子作用，使表面活性剂分子引入油(溶剂)。

表面活性剂分子的亲油基一般是由烃基构成的，而亲水基则由各种极性基团组成，种类繁多，因此，表面活性剂在性质上的差异，除与烃基的大小和形状有关外，主要与亲水基团的类型有关。

亲水基团在种类和结构上的改变远比亲油基团的改变对表面活性剂性质的影响要大，所以，表面活性剂一般以亲水基团的结构为依据来分类。

按亲水基是否带有电荷将表面活性剂分为离子型和非离子型两大类。

离子型表面活性剂的分子在水中能电离，形成带正电荷、带负电荷或者同时带正电荷和负电荷的离子。

带正电荷的称为阳离子表面活性剂；带负电荷的称为阴离子表面活性剂；同时有正电荷和负电荷的则称为两性表面活性剂。

非离子型表面活性剂分子在水中不电离，呈电中性。

表面活性剂的相对分子质量一般为几百至几千，而几千至几万以上的则称为高分子表面活性剂。

表面活性剂有的是从天然物质中提取制得的，有的是通过化学合成制备的，前者称为天然表面活性剂(以区别于后者)。

此外，还有在疏水基上氢被氟取代的碳氟类表面活性剂，聚硅氧烷类的硅氧烷类表面活性剂，含钛的特种金属表面活性剂，以及冠醚类表面活性剂。

此外还有Gemini型和Bola型等新型表面活性剂，这些表面活性剂均有其独特的性能，故统称为特种表面活性剂。

表面活性剂通常有如下四种分类方式。

①按离子型分类。

离子型分类法是常用的分类方法，它实际上是化学结构分类法。

表面活性剂溶于水后，按离解或不离解分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。

离子型表面活性剂又可按产生电荷的性质分为阴离子型、阳离子型和两性型表面活性剂。

离子型分类方法见表1.1。

②按溶解性分类。

按在水中的溶解性，表面活性剂可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂，前者占绝大多数。

董国君，苏玉等编著.表面活性剂化学.北京理工大学出版社,2009.08.③按相对分子质量分类。

相对分子质量大于10 000的称为高分子表面活性剂，相对分子质量在1 000 10 000的称为中分子表面活性剂，相对分子质量100～1 000的称为低分子表面活性剂。

常用的表面活性剂大都是低分子表面活性剂。

④按用途分类。

表面活性剂按用途可分为表面张力降低剂、渗透剂、润湿剂、乳化剂、增溶剂、分散剂、絮凝剂、起泡剂、消泡剂、抗静电剂、杀菌剂、缓蚀剂、柔软剂、防水剂、织物整理剂、匀染剂等。

通常情况下，表面活性剂的分类按离子类型进行。

四、表面张力与表面活性：在自然界中任何物质都以气体、液体或固体三种状态存在，它们之间不可避免会发生相互接触，两相接触便会产生接触面。

通常把液体或固体与气体的接触面称为液体或固体的表面，把液体与液体、固体与固体、或固体与液体的接触面称为界面。

由于两相接触面的分子与其体相内部的分子所处的状态不同，因此会产生特殊的现象。

例如在没有外力的影响或影响不大时，液体总是趋于成为球状，如水银珠和植物叶子上的露珠。

即使施加外力后将水银珠压瘪，一旦外力消失，它便会自动恢复原状。

可见液体总是有自动收缩而减少表面积，从而降低表面自由能的趋势。

体积一定的各种各种形状中，球形表面积最小，这一表面现象可以从表面张力和表面自由能两个角度来解释。

任何分子都会受到来自分子周围分子的吸引力，如图所示液体内部和表面分子的受力情况。

mm’横线表示气相和液相的接触面，A和A’分别表示处于液相不同位置的分子，分析它们的受力情况发现，液相中间的分子A’从各个方向受到的引力相互平衡前面提到，液体自动收缩的表面现象还可以从能量的角度来解释。

液体表面自发地缩小，则会减少自由能，如按相反过程，使液体产生新表面的dA，则需要一定的功dG，他们之间的关系可以表示为dG=rdA式中，r为单位液体表面的表面自由能，单位为J/m2。

可见r从力的角度讲是作用于表面单位长度边缘上的力，叫表面张力；从能量角度讲是单位表面的表面自由能，是增加哦单位表面积液体时自由能的增值，也就是单位表面上的液体分子比处于液体内部的同量分子的自由能过剩值，是液体本身固有的基本物理性质之一。

表面张力现象和表面自由能不仅存在于液体表面，也存在于一切相界面上，特别是在互不溶的两种液体的界面上更为普遍。

例如油水两相分子间的互相作用存在一定差异，但小于气相和水相的差异，因此油水表面张力一般小于谁的表面张力。

不同类型的物质在溶液中的状态不同。

当物质加入液体中后，他在液体表面层的浓度与液体内部的浓度不同，这种改变浓度的现象称为吸附现象。

使表面层的浓度大于液体内部的浓度的作用称为正吸附，反之，为负吸附。

通常人们称正吸附为吸附。

因溶质在表面发生吸附而使溶液表面张力下降的性质称为表面活性，这类物质被称为表面活性剂。

表面活性剂之所以能够在极低的浓度下显著降低溶液的表面张力是与其分子结构特点密不可分的。

表面活性剂通常由两部分组成：一部分是疏水基团，另一部分是亲水基团。

这两部分分处于表面活性剂两端，形成不对称结构，因此表面活性剂分子是一种双亲分子，具有既亲油又亲水的双亲性质。

这样的分子结构使得它们一部分与水分子油很强的亲和力，赋予表面活性剂分子中的水溶性。

而另一部分因疏水油自水中逃离的性质，一次表面活性剂分子会在水溶液体系中（包括表面、界面）发生定向排列。

它们从溶液的内部转移至表面，以疏水基朝向气相（或油相），亲水基插入水中，形成紧密排列的单分子吸附层，如图所示，满足疏水基逃离水包围的要求，这个溶液表面富集表面活性剂分子的过程就是使溶液的表面张力急剧下降的过程。

因此非极性物质往往具有较低的表面自由能，表面活性剂分子吸附于液体表面，用表面自由能低的分子覆盖了表面自由能高的溶剂分子，因此溶液的表面张力降低。

五、表面活性剂胶束：随着表面活性剂浓度的增加哦，谁表面逐渐被覆盖。

当溶液浓度增加到一定值后，谁表面全部被活性剂分子占据，道道吸附饱和，表面张力不在继续明显降低，而使维基本稳定。

此时表面活性剂的浓度再增加，其分子会在溶液内部采取另外一种排列方式，即形成胶束。

形成胶束是表面活性剂重要性质之一，也是产生增溶、乳化、洗涤、分散、和絮凝作用的根本原因。

表面活性剂分子的亲油基团之间因疏水性质存在显著的吸引作用，易于互相靠拢、缔合，从而逃离水的包围。

如图所示，当表面活性剂在溶液表面的吸附达到饱和之后，他们便在溶液内部油分子或离子分散状态缔合成由数十个乃至数百个离子或分子组成的稳定胶束。

此时，在提高表面活性剂的浓度已不能显著增加农业中单分子或离子的浓度，而只能形成更多的胶束。

在水介质中，表面活性剂将极性的沁水基团朝外形成与水接触的外壳，将朝内排列的非极性基团包在其中，使它们不于水接触。

可见，胶束的形成实际是表面活性剂分子为缓和水和疏水基之间的排斥作用而采取的另一种稳定化方式，疏水作用导致表面活性剂在表面上的吸附和在溶液内部胶束的生成，其根本的决定因素是活性剂分子的双亲结构。

六、表面活性剂的功能与应用：1.1增溶作用所谓的增溶作用是指由于表面活性剂胶束的存在，使得在溶剂中难容乃至不溶物质溶解度显著增加的作用。

例如室温下奔在水中溶解度很小，每100g谁只能溶解0.07g苯，但在10%的油酸钠谁溶液中，苯的溶解度达到7g/100g，增加了100倍，这是通过油酸钠胶束的增溶作用实现的。

增溶作用的基础是胶束的形成，表面活性剂浓度越大，形成的胶束越多，难容物或不溶物溶解得越多，增容量越大。

增溶作用是与胶束密切相关的现象，了解增溶的方式，掌握被增溶物质与胶束之间的相互作用，对有效地应用怎荣作用具有十分重要的意义研究发现增溶主要有四种方式。

（1）非极性分子在胶束内核增溶，饱和脂肪烃、环烷烃以及苯等不易极化的非极性有机化合物，通常被增溶于胶束内核中，就像溶于非极性碳氢化合物液体中一样，如图（a）（2）表面活性剂分子间的增溶，对于分子结构与表面活性剂相似的极性有机化合物，如长链的醇、胺、脂肪酸和极性染料等两亲分子，则是增溶于胶束的“栅栏”之间，如图（b）（3）胶束表面的吸附增溶，图（c）这些化合物被吸附于胶束表面区域或分子“栅栏”靠近胶束表面区域，光谱研究表明它们处于完全或接近完全极性环境中。

（d）聚氧乙烯链的增溶，以聚氧乙烯基为亲水基团的非离子表面活性剂，通常将被增溶物包藏在胶束外层的聚氧乙烯链中，如图（d）。

1.2增溶作用的应用目前表面活性剂的增溶作用驻澳应用在石油开采、胶片生产及洗涤方面。

在石油工业中，增溶作用被利用来“驱油”一提高石油的开采率。

利用表面活性剂在溶液中形成胶束的性质，叫表面活性剂、助剂和油混合在一起搅动，使之形成均匀的“胶束溶液”。

这种溶液溶解原油，切具有足够的粘度，能很好地湿润岩层，遇水不分层，当流过岩层时有效地洗下黏附于砂石上的原油，达到提高开采率的目的。

胶片生产过程中，胶片上常常出现微小优质杂志造成斑点，在乳化剂中胶乳适当的表面活性剂，利用胶束的增溶作用可以使斑点消除。