表面活性劑的潤濕作用電子教案

1、表面活性劑的潤濕作用u潤濕是表面上的一種流體被另一種流體所取代的過程。因此，潤濕作用總涉及三個(gè)相，而其中至少二個(gè)相是流體。例如：氣相-液相-固相；不相溶的液相-液相-固相；不相溶的液相-液相-液相。u通常，潤濕是指氣相-液相-固相，即固體表面上的氣體被液體所取代水或水溶液是特別常見的取代氣體的液體，例如：水滴在玻板上。u有時(shí)為不相溶的液相-液相-固相，即在固液界面上一種液體被另一種液體所取代， 例如：洗滌時(shí)，水洗液取代織物表面的油污。u潤濕劑是指能促進(jìn)水或水溶液將空氣從液體或固體表面上取而之的物質(zhì)。u潤濕過程與相關(guān)相的表面和界面性質(zhì)有密切的關(guān)系，故表面活性劑必然在此過程中顯示出它的作用。 第一

2、節(jié) 潤濕過程一潤濕與接觸角u上述公式最早是T.YOUNG在1805年提出的，習(xí)慣上稱為楊氏方程式。 SGL GSL = cos+SGSLLGcos =1附著潤濕 附著潤濕是指液體與基質(zhì)固體接觸、變液/氣界面和固/氣界面為固/液界面的過程。例如，涂層整理。附著潤濕的比表面自由能的降低是：G/S + G/L L/S 0 0 在恒溫恒壓下，0，G0，可以附著潤濕；180時(shí)，Wa0，G0， 潤濕達(dá)到極限。 SGLGSLaGWcos1aLGW2浸濕潤濕 浸濕潤濕是指固體浸入液體中的過程，例如：洗滌時(shí)把具、衣服泡在水中即為此種過程。 浸濕潤濕時(shí)， G/S L/Su比表面自由能的降低是： 0 0在恒溫恒壓下

3、，0，G0， 可以浸濕潤濕；90時(shí)，Wi0，G0，浸濕達(dá)到極限。SGSLiGWcosiLGWu軟（多孔）固體表面滲透壓或附加壓P = 2 LV/R = 2LVcos /r = 2(SV - SL)/rR 曲率半徑、r 毛細(xì)半徑 90, P 0 不滲透; 0滲透。r , SV, SL, （LV）, 則 , P 3鋪展?jié)櫇?鋪展過程的實(shí)質(zhì)是在以固/液界面代替固/氣界面的同時(shí)，液體表面也同時(shí)擴(kuò)展 。 G/S L/S + new G/L-G = SV - SL - LV = S 0-G = LV (cos-1) = S 0 0 可以鋪展 0 不能鋪展粘附張力與三種潤濕過程u粘附張力：A = SG -

4、SL 液體在固表取代氣體的驅(qū)動(dòng)力WSL = SG - SL + LG = A + LG , 180 Wi = SG - SL = A , 90 S = SG - SL - LG = A - LG, 0 uSG, SL - 固/氣，固/液界面張力 SG, SL ： A 潤濕 uLG 液體的表面張力LG, 鋪展; LG ,附著潤濕 ;cos = A /LG, if A0 , LG, cos , 第二節(jié)接觸角的測定及其影響因素一接觸角的測定 1角度測量法u 直接量角法u 斜板法2長度測量法滴高法和最高滴高法 sin = 2HR/(H2+R2) or tg(/2) = H/R當(dāng)式中，LG和分別為液體的

5、表面張力和密度，g為重力加速度。mR H 2cos1/2mL GgH 吊片法 2sin1/2LGgH 粉末測定法（1）Bartell靜態(tài)法 （2）Washburn動(dòng)態(tài)法 式中為液體的粘度； C為校正因子， R為儀器常數(shù)， 對指定系統(tǒng)CR為定值， 可選用一種滲入速率最 快的液體作標(biāo)準(zhǔn)樣品來標(biāo)定。2cosLGHRg2cosLGhCRt二接觸角滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象： A- R 0 (A R )后退接觸角前進(jìn)接觸角液體接觸角滯后，AR ()平滑表面*304560水11304864鹽水*10243449甘油7234477乙二醇72854103*表示固體表面粗糙程度的起伏角（見圖6-11），愈大表面愈粗糙。*

6、濃度為3mol/L的CaCl2水溶液。 表6-1 幾種液體在石蠟面上的接觸角滯后影響接觸角滯后的因素（）表面粗糙度u楊氏方程：SG - SL = LG cos0u 粗糙表面的楊氏方程： r(SG - SL) = LG cosWu Wentzel 方程：粗糙度 r = cosW/cos0 1 潤濕固體表面： 0 0 cos0, W 0r, W 不潤濕固體表面： 90 0 180，則 W 0 r, W （）表面不均勻性水在二氧化鈦與十八烷基三甲基氯化銨混合單分子層上的接觸角第三節(jié) 固體表面的潤濕性質(zhì)通常，液體的表面張力都在100mN/m以下。Cos = (SG - SL)/ LGu有機(jī)固體及高聚物

7、的表面能則與一般液體不相上下，不易被潤濕，被稱為低能表面(SV 100mJ/m2 )。u無機(jī)固體易被潤濕，如常見的金屬及其氧化物、硫化物、無機(jī)鹽等，其表面被稱為高能表面。通常，硬度大、熔點(diǎn)高的固體表面能也較高(SG = 100-5000mJ/m2)。一低能表面的潤濕作用 1潤濕臨界表面張力 c = lim LGcos c 意義： 在該液體同系物中， 凡表面張力大于者， 皆不能在此固體表 面上自行鋪展，而 只有表面張力小于 才能自行鋪展。2c 的影響因素（1）高分子固體的潤濕性質(zhì)與其分子的元素組成有關(guān)。 固體c （mN/m）固體c （mN/m）高分子固體聚四氟乙烯18有機(jī)固體石蠟26聚二（偏）氟

8、乙烯25正三十六烷22聚氟乙烯28季戊四醇四硝酸酯40聚乙烯31鉑表面單分子層全氟月桂酸6聚苯乙烯33全氟丁酸9.2聚丙烯酸甲酯35十八胺22聚乙烯醇37戊基十四酸26尼龍6646苯甲酸53聚酯43萘甲酸58聚醋酸乙酸酯33硬脂酸24（2）附有表面活性物質(zhì)單分子層的 性質(zhì)CCC（mN/m）C（mN/m）碳氟表面碳?xì)浔砻鍯F36CH3（晶體）22CF2H15CH3（單層）24CF3H和CF217CH231CF218CH2和CH33CH2CF320CH（苯環(huán)邊）35CF2CHF22硝化碳?xì)浔砻鍯F2CH225CH2ONO2（110面）40CFHCH228C(NO2)3（單層）42碳氯表面CH2NH

9、NO2（晶）44CClHCH239CH2ONO2（101面）45CCl243二高能表面及其自憎現(xiàn)象 高能表面應(yīng)為一般液體所鋪展，將水、煤油等液體滴在干凈的玻璃、金屬表面上時(shí)會(huì)自動(dòng)鋪展。（）自憎液體 一些有機(jī)液體，其表面張力雖不高，在金屬以及玻璃等高能表面上卻不展開。原因：這些有機(jī)液體分子在高能表面上發(fā)生吸附，形成碳?xì)浠蚩諝獾亩ㄏ蚺帕形侥?。這樣，原高能表面實(shí)際上成為低能表面，其臨界表面張力比液體的表面張力還低，以致這種液體不能在其自身的吸附膜上鋪展，故稱這種現(xiàn)象為自憎。 LG液體LG（mN/m）20時(shí)的接觸角（度）鋼白金石英氧化鋁辛醇127.835424243辛醇226.714293026

10、2乙基乙醇126.75202619正辛酸29.2344232432乙基己酸27.8511712磷酸三鄰基苯酯45.871921一些自憎液體在高能表面上的接觸角 一硬表面固體的潤濕所謂硬表面固體是無孔、非顆粒狀的固體，如玻璃金屬、以及聚酯、聚丙烯、聚乙烯等有機(jī)材料，大致可分為非極性和極性表面兩類。1非極性固體表面非極性固體表面常見于聚乙烯、聚丙烯等有機(jī)材料，屬低能表面。 SL，LG ，有利潤濕；若LG C, 則可能鋪展。第四節(jié) 表面活性劑的潤濕作用 2極性固體表面極性固體表面一般還可以分為聚酯、聚酰胺等有機(jī)高分子，也屬低能表面；和如離子交換樹脂、玻璃、金屬及其氧化物等高能表面。（1）固體表面與表

11、面活性劑的表面活性離子具有相同電荷 與的變化也不大。值的減小主要來自氣液表面的吸附和的下降。 SLSG LG（2）固體表面與表面活性劑的表面活性離子具有相反電荷 u低濃度時(shí)，表面活性離子通過離子對位或交換方式吸附在固體表面，這種吸附削弱了水與固體的相互作用，因而增大，值增大 ；u濃度大于CMC時(shí)，表面活性離子的疏水鏈可通過疏水吸附與吸附于固液界面的第一層單分子層的表面活性離子的疏水鏈相吸附，形成雙分子吸附膜，表面活性劑離子頭指向溶液，因而增加了與水的相互作用并使減小，值再次變小。 二紡織品的潤濕表征方法：（1）潤濕（滲透）效率，即在指定溫度、時(shí)間內(nèi)表面活性劑產(chǎn)生一定量的潤濕能力所需要的最低濃度

12、。（2）潤濕（滲透）效能，即在指定體系中，在不考慮所用濃度的條件下，表面活性劑完成潤濕作用所需要的最少時(shí)間。（3）潤濕（滲透）時(shí)間，即在指定溫度時(shí)表面活性劑濃度時(shí)，指定體系潤濕所需要的時(shí)間。 2. 潤濕時(shí)間的測定方法（1）帆布片法測量一定質(zhì)量帆布片的下沉?xí)r間；（2）原棉纖維束法通常溫度為25，溶液濃度為0.1。測定表面活性劑溶液對紡織品潤濕能力的最常用的試驗(yàn)方法是Draves方法，它是用一束5克重的天然帶有臘質(zhì)的棉紗（每卷54英寸（1.37 m），每絞120根）。系在一個(gè)3克重的勾子上面，再用一根很細(xì)的線將勾子與重物相連結(jié)，然后將上述整個(gè)裝置放入盛有表面活性劑溶液的柱形圓筒中，使其全部被溶液浸

13、沒。 3影響表面活性劑的潤濕（滲透）作用的因素 （1）親水基位置及支化度 支鏈?zhǔn)杷谋砻婊钚詣?，由于其在水中的尺寸相對比直鏈異?gòu)體要小，能迅速滲透到內(nèi)部纖維表面定向排列，所以常常是用于紡織品的優(yōu)良的潤濕（滲透）劑。二羥基四甲基癸炔（Surfynol 104） CH2CHCH3CH2CCH3OHCC COHCH3CH2CHCH3CH3C4H9CHCH2OC2H5COCH SO3NaCH2C4H9CHCH2OC2H5CO琥珀酸二異辛酯磺酸鈉（AOT） （2）直鏈型表面活性劑的長度 分子尺寸愈小，擴(kuò)散系數(shù)愈大，潤濕時(shí)間更短。在計(jì)量疏水鏈的有效長度時(shí)，通常支鏈上的一個(gè)碳原子約相當(dāng)于主鏈的2/3個(gè)碳原

14、子；親水的離子基團(tuán)與極性基團(tuán)間的一個(gè)碳原子約相當(dāng)于主鏈的1/2個(gè)碳原子；一個(gè)苯環(huán)則相當(dāng)于3.5個(gè)直鏈亞甲基；酯鍵的存在對疏水鏈有效長度無影響。 （3）表面活性劑濃度的影響 u表面活性劑的濃度足夠低時(shí)，疏水鏈較長的表面活性劑比較短的同系物表現(xiàn)出更好的潤濕性能。u隨著濃度升高，表面活性劑分子的擴(kuò)散速率增大，當(dāng)濃度達(dá)足夠高時(shí)，表面活性劑的潤濕時(shí)間降至最短，其中短鏈的表面活性劑幅度最大，具有比長鏈更低的最低潤濕時(shí)間。 （4）聚氧乙烯醚非離子型表面活性劑 l 其乙氧基數(shù)目增加時(shí)，表面活性劑的潤濕時(shí)間會(huì)經(jīng)一最小值后增加；l 當(dāng)表面活性劑的濁點(diǎn)正好高于潤濕試驗(yàn)的溫度時(shí)，則該表面活性劑此溫度時(shí)的潤濕時(shí)間最短。

15、 l 聚醚的潤濕（滲透）時(shí)間隨POP的鏈增加，POE鏈的減少而降低，其前提是在該溫度下聚醚在水中完全溶解。4添加劑的影響因素 （1）中性電解質(zhì)，通常離子型表面活性劑的潤濕（滲透）時(shí)間會(huì)因水中存在電解質(zhì)而顯著地降低，特別是短鏈的；（2）水結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑 （3）表面活性劑 u在陰離子和非離子型表面活性劑溶液中加入長鏈醇會(huì)增加它們的潤濕能力；u將聚氧乙烯醚非離子型表面活性劑加入陰離子型表面活性劑溶液中也會(huì)提高其潤濕能力，但會(huì)降低陽離子型表面活性劑的潤濕能力。 5滲透劑由于固液界面常常帶負(fù)電荷，所以，滲透劑一般為陰、非離子型表面活性劑。常用的滲透劑JFC為脂肪醇聚氧乙烯醚，拉開粉BX，即丁基萘磺酸鈉，屬陰離子型，高效滲透劑AOT和Surfynol 104則是陰離子和非離子型表面活性劑。 溶液的酸堿性陰離子型表面活性劑非離子型表面活性劑用途強(qiáng)堿性短鏈、可溶解的能用，帶易水解酯基的不能用不容易溶解，不能用棉織物絲光、堿減量、退煮漂三合一等工藝弱堿性能使用多數(shù)能使用退漿、煮練、漂白工藝接近中性能使用能使用后整理加工工藝弱堿性除硫酸酯鹽易水解外，一般能使用能使用次氯酸鈉漂白強(qiáng)酸性除磺酸鹽類能使用外，一般不能使用多數(shù)能使用羊毛炭化，滌棉織物酸減