新第一章--表面活性劑概述..

1、表面活性劑化學(xué)表面活性劑化學(xué)主講教師：李愛陽Email:主要參考主要參考:表面活性劑應(yīng)用原理，肖進(jìn)新等表面活性劑應(yīng)用原理，肖進(jìn)新等, , 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社，20032003表面活性劑作用原理，表面活性劑作用原理，趙國璽趙國璽等等, , 中國輕工業(yè)出版社，中國輕工業(yè)出版社， 20032003表面活性劑表面活性劑- -合成合成性能性能應(yīng)用應(yīng)用, , 王培義等，化學(xué)工業(yè)出版社王培義等，化學(xué)工業(yè)出版社, , 20072007 其它參考：其它參考： 曾毓華曾毓華. 氟碳氟碳表面活性劑表面活性劑. 北京：北京： 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社. 2001 梁治齊梁治齊. 功能性功能性表面活性劑表

2、面活性劑. 北京：中國輕工業(yè)出版社北京：中國輕工業(yè)出版社. 2002 杜巧云，葛虹杜巧云，葛虹. 表面活性劑表面活性劑基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)及應(yīng)用. 北京：中國石化出版社北京：中國石化出版社.1996 徐燕莉徐燕莉. 表面活性劑表面活性劑的功能的功能. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2000第一章：表面活性劑基礎(chǔ)1.1 1.1 表面活性劑概念表面活性劑概念1.2 1.2 表面活性劑分類表面活性劑分類1.3 1.3 表面活性劑國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀表面活性劑國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)任意兩相接觸時當(dāng)任意兩相接觸時, , 兩相之間決非是一個沒有厚兩相之間決非是一個沒有厚度的純幾何面度的純幾何面, ,而是一個具

3、有相當(dāng)厚度的過渡區(qū)而是一個具有相當(dāng)厚度的過渡區(qū), , 這一過渡區(qū)通常稱之為這一過渡區(qū)通常稱之為界面界面。若其中一相為氣體，。若其中一相為氣體，這種界面通常稱為這種界面通常稱為表面表面。但由于歷史的原因。但由于歷史的原因, , 這這兩個概念常?；煊谩蓚€概念常?；煊谩３Ｒ姷慕缑嬗校簹獬Ｒ姷慕缑嬗校簹? -液界面，氣液界面，氣- -固界面，液固界面，液- -液液界面，液界面，液- -固界面，固固界面，固- -固界面。固界面。 界面：相與相之間的分界面 界面氣/液氣/固液/液固/固固/液表面誰見過沒有皮的饅頭誰見過沒有皮的饅頭? 處于任何相態(tài)的任何物質(zhì)的表面與其體相相比較處于任何相態(tài)的任何物質(zhì)的表面

4、與其體相相比較, , 二者在組成、結(jié)構(gòu)、分子所處的能量狀態(tài)和受力情二者在組成、結(jié)構(gòu)、分子所處的能量狀態(tài)和受力情況等方面均有差別，由此而產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)況等方面均有差別，由此而產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象稱之為現(xiàn)象稱之為表面表面( (界面界面) )現(xiàn)象現(xiàn)象。1g H1g H2 2O O 表面積表面積 (m(m2 2) ) 表面能表面能(J)(J)呈一球形水滴呈一球形水滴 4.844.841010-4-4 3.5 3.51010-5-51010-7-7 m m微小質(zhì)點微小質(zhì)點 6000 4346000 434 表面現(xiàn)象涉及的范圍很廣：自然現(xiàn)象、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過表面現(xiàn)象涉及的范圍很廣：自然現(xiàn)象、工農(nóng)業(yè)生

5、產(chǎn)過程、生理現(xiàn)象、科學(xué)研究、多相催化甚至日常生活程、生理現(xiàn)象、科學(xué)研究、多相催化甚至日常生活 常見的表面現(xiàn)象有：在光滑玻璃上的微小汞滴會自動呈球形在光滑玻璃上的微小汞滴會自動呈球形脫脂棉易于杯水潤濕脫脂棉易于杯水潤濕水在玻璃毛細(xì)管中會自動上升水在玻璃毛細(xì)管中會自動上升固體表面會自動的吸附其他物質(zhì)固體表面會自動的吸附其他物質(zhì)微小的液滴易于蒸發(fā)微小的液滴易于蒸發(fā)微小晶體溶解度大等等微小晶體溶解度大等等 表面活性劑基礎(chǔ)表面：表面：把一個相和它本身蒸汽接觸的分界面稱之。 界面：界面：把一相與另一相(結(jié)構(gòu)不同)接觸的分界面稱之。特點：特點：表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)相差懸殊，研究固體表面比研究表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)

6、相差懸殊，研究固體表面比研究液體表面困難，難以定量描述。液體表面困難，難以定量描述。 習(xí)慣上把液習(xí)慣上把液- -氣界面、固氣界面、固- -氣界面稱為液體表面和固體表面。氣界面稱為液體表面和固體表面。表面可以由一系列的物理化學(xué)數(shù)據(jù)來描述（表面積、表面組表面可以由一系列的物理化學(xué)數(shù)據(jù)來描述（表面積、表面組成、表面張力、表面自由能、熵、焓等），表面與界面的組成、表面張力、表面自由能、熵、焓等），表面與界面的組成和結(jié)構(gòu)對其性能有著重要的影響。成和結(jié)構(gòu)對其性能有著重要的影響。 1.1 表面活性劑概念例如：石英的粉碎。1kg直徑為102米變成109米，表面積 和表面能增加143倍。由于高分散系比低分散系能

7、量高得多，必然使物系由于分散度的變化而使性質(zhì)方面有很大差別。：熔點、沸點、蒸汽壓、溶解度、吸附、潤濕和燒結(jié)等：化學(xué)活性、催化、固相反應(yīng) 等 表面活性劑基礎(chǔ)在一般的情況下，界面的質(zhì)量和性質(zhì)與體相相比可以忽略，但當(dāng)物質(zhì)被高度分散時，界面的現(xiàn)象很明顯。對一定質(zhì)量的物質(zhì)而言，分散度越高，其表面積就越大，表面效應(yīng)也就越明顯。 常規(guī) 15m2 um 90m2 nm 180m2 1g粉料具有如此大的空間，其界面占據(jù)總體積50以上，奇特的表面效應(yīng) 表面活性劑基礎(chǔ) 比表面積As反比于d； d，比表面積，表面原子所占百分?jǐn)?shù) 顆粒尺寸小于 0.1微米時 ，表面效應(yīng)將不容忽略 表面活性劑基礎(chǔ)物質(zhì)的分散度可用比表面積來

8、表示As 高高倍率電子顯微鏡下：金倍率電子顯微鏡下：金-1nm，實時觀察，實時觀察 無固定的形態(tài)，隨時間變化會自動成各種形狀無固定的形態(tài)，隨時間變化會自動成各種形狀（如立方體、八面體，十面體，二十面體多孿（如立方體、八面體，十面體，二十面體多孿晶等），不同于一般固體、液體，是一種準(zhǔn)固晶等），不同于一般固體、液體，是一種準(zhǔn)固體；體；在電鏡電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入在電鏡電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了了“沸騰沸騰”狀態(tài)狀態(tài) 大于大于10納米后，微顆粒狀態(tài)穩(wěn)定納米后，微顆粒狀態(tài)穩(wěn)定 表面活性劑基礎(chǔ) 【EgEg】表面效應(yīng)導(dǎo)致納米金屬特殊的光學(xué)性能表面效應(yīng)導(dǎo)致納米金屬特殊的光學(xué)性能 大塊金屬光澤、

9、色澤：對可見光不同波長光反射與吸收大塊金屬光澤、色澤：對可見光不同波長光反射與吸收能力不同能力不同 CuCu紫紅；金紫紅；金黃；鉛黃；鉛銀白帶藍(lán)銀白帶藍(lán) 各種納米金屬屑幾乎全各種納米金屬屑幾乎全呈黑色呈黑色 原因：原因：強吸收率，低反射率導(dǎo)致粒子強吸收率，低反射率導(dǎo)致粒子變黑變黑黃色大塊金黃色大塊金黃綠色微米粒子黃綠色微米粒子黑色納米粒子黑色納米粒子 表面活性劑基礎(chǔ) 【Eg】表面高活性導(dǎo)致納米（超微）顆粒的表面高活性導(dǎo)致納米（超微）顆粒的迅速氧化燃燒迅速氧化燃燒/甚至空氣中自燃甚至空氣中自燃 防止：通過表面包裹防止自燃防止：通過表面包裹防止自燃Li Li粉廠突然自燃粉廠突然自燃 表面活性劑基礎(chǔ)

10、 利用表面活性，超微顆粒可成為新一代高效利用表面活性，超微顆粒可成為新一代高效催化劑催化劑/貯氣材料貯氣材料/低熔點材料低熔點材料 表面活性劑基礎(chǔ) 表面與界面起突出作用的新型材料，如等發(fā)展如日中天 新物理現(xiàn)象、新效應(yīng) 巨大應(yīng)用潛力 表面活性劑基礎(chǔ)1.2 表面活性劑的分類171.2.1 表面活性劑按離子類型分類表面活性劑離子型非離子型陰離子型:陽離子型:兩性型:C12H25SO3Na十二烷基苯磺酸鈉 芐基三甲基氯化銨 CH2N CH3CH3CH3+.Cl-N CH2COOCH3CH3+C12H25-十二烷基甜菜堿1.2.2 按親水基的結(jié)構(gòu)分類C12H25SO3Na18表1-1 按親水基結(jié)構(gòu)分類的

11、表面活性劑類型C12H25SO3Na親水基團(tuán)類型親水基團(tuán)結(jié)構(gòu)表面活性劑實例羧酸鹽型磺酸鹽型硫酸酯鹽型磷酸酯鹽型 單酯雙酯 C17H35COONaC18H37OSO3NaC12H25OPO3Na2(C12H25O)2PO2NaCOO-M+SO3-M+OSO3-M+OPOOMOMOPOOOMC12H25SO3Na19胺鹽型伯胺鹽 仲胺鹽 叔胺鹽 季銨鹽 鎓鹽型鏻化合物 鉮化合物 锍化合物 碘鎓化合物多羥基型聚氧乙烯型HXNH2.HXNH.HXN.+XN.-+XP.-+X.-As+X.-S+X.-IOH(CH2CH2O)nC18H37NH2HCl.NHCH3C12H25.HClNCH3C12H25.

12、HClCH3NCH3C12H25.ClCH3CH3+-PC12H25.Br+-CH3CH3+Br.-CH3AsC8H17CH3CH2+OSO3CH3.-CH3SC12H25CH3I+C15H31COOCH2CCH2OHCH2OHCH2OHC9H19O(CH2CH2O)nH 注：M為堿金屬離子或銨離子，X為Cl、Br、I、CH3COO或HSO4等 1.2.3 按疏水基種類分類（1）直鏈烷基：CnH2n+1，n820；（2）支鏈烷基：CnH2n+1，n820；（3）烷基苯基： ，RCnH2n+1，n816；（4）烷基萘基： ，RCnH2n+1，n3；（5）松香衍生物；（6）高分子量聚氧丙烯基：(O

13、C3H7)n；（7）長鏈代烷基：CnF2n+1，n610；（8）聚硅氧烷基：20 1.2.4 按表面活性劑的特殊性分類（1）碳氟表面活性劑 CF3(CF2)6COONa 全氟代辛酸鈉 （2）含硅表面活性劑（3）高分子表面活性劑 分子量高于1000的表面活性劑 , 主要類型有聚乙 烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯等21 （4）生物表面活性劑 生物表面活性劑是細(xì)菌、酵母和真菌等微生物代謝產(chǎn)物過程中產(chǎn)生的。 （5）冠醚型表面活性劑22烷基烷基1212冠冠4 4 按照表面活性劑的溶解性能可將其分為水溶性和油溶性表面活性劑； 按照分子量可分為低分子和高分子表面活性劑； 按照應(yīng)用功能可分為乳化劑、洗滌劑、潤濕

14、劑、發(fā)泡劑、消泡劑、分散劑、絮凝劑、滲透劑及增溶劑等。 231.2.5 其它分類方法1.3 表面活性劑的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.3.1 世界表面活性劑工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.2 我國表面活性劑工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢241.3.1 世界表面活性劑工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r 世界表面活性劑工業(yè)是在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于制皂的油脂十分匱乏而得以發(fā)展。 二次世界大戰(zhàn)之后形成了獨立的工業(yè)體系，并隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而日趨完善，與合成橡膠、合成纖維一起成為新興的化工產(chǎn)品。 目前全世界表面活性劑的品種有6000多種，商品牌號上萬種，年產(chǎn)量接近1200萬噸。25 在品質(zhì)、質(zhì)量、產(chǎn)量等方面均得到了迅速發(fā)展 由于表面活性劑具有潤濕

15、、乳化、去污、分散等特性，被稱為工業(yè)味精。 目前全世界表面活性劑的品種有6000多種，商品牌號上萬種，年產(chǎn)量接近1200萬它的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴大。 表面活性劑作用：家用占50%，個人護(hù)理6%，工業(yè)與公共設(shè)施用占40%-50%。 從品種上，世界表面活性劑以陰離子為主，其次是非離子，陽離子和兩性消費最小。 國外朝專用性和功能性發(fā)展。2627 表面活性劑已成為精細(xì)化工的一個重要分支，亦是精細(xì)化工的一個基礎(chǔ)學(xué)科?？蓱?yīng)用于洗滌（工業(yè)和家用）、紡織、印染、皮革加工、礦選、金屬加工、石油開采與精制、建筑、食品、制藥、造紙、油漆油墨、涂料等工業(yè)。1.3.1 世界表面活性劑工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r28表1-2 世界各地

16、表面活性劑的消費情況1995年2000年2005年消費量（萬噸）占市場份額（）消費量（萬噸）占市場份額（）消費量（萬噸）占市場份額（）北美27029.029026.931024.8西歐20021.522020.424019.2亞洲29031.236033.344035.2其它17018.321019.426020.8合計930100.01080100.01250100.0 我國表面活性劑始于20世紀(jì)50年代末60年代初。1958年中科院植物保護(hù)研究所開發(fā)成功我國第一個表面活性劑蓖麻油聚氧乙烯醚，標(biāo)志著我國表面活性劑工業(yè)的形成。 “七五”和“八五”通過引進(jìn)國外先進(jìn)的三氧化硫連續(xù)磺化裝置、乙氧基化

17、裝置、油脂水解裝置、以及脂肪醇、脂肪胺和烷基酚的生產(chǎn)裝置，使我國多種表面活性劑基本原料的生產(chǎn)能力達(dá)到世界水平，解決了原料問題。 九十年代后品種的數(shù)量增長較快，從1990年的290種增加至現(xiàn)在的2000多種。291.3.2 我國表面活性劑工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（1）表面活性劑的品種少，產(chǎn)量低，不能滿足國內(nèi)需求 （2）人均消費水平低，美國13.9Kg 日本9.7Kg 中國0.5Kg（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理,高檔產(chǎn)品少，低檔產(chǎn)品多（4）工業(yè)應(yīng)用比例偏低（5）基礎(chǔ)理論研究比較薄弱，缺乏復(fù)配和深加工技術(shù)的理論指導(dǎo)，生產(chǎn)工藝落后30主要差距：31 （1）調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)； （2）加強應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究。復(fù)配、新產(chǎn)品開

18、發(fā) ； （3）將應(yīng)用基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)有機結(jié)合起來； （4）積極開發(fā)專用化和功能化表面活性劑。提高產(chǎn)品檔次和性能 ； （5）大力開發(fā)綠色表面活性劑和生物表面活性劑。具有高活性，生物降解好、低毒、無刺激、可再生，綠色產(chǎn)品； 今后我國表面活性劑的發(fā)展主要有以下幾方面：表面活性劑的發(fā)展 我國表面活性劑“十一五”發(fā)展規(guī)劃 (黃洪周, 全國工業(yè)表面活性劑中心, 遼寧大連)摘要摘要: 介紹我國表面活性劑工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀、以及發(fā)展特點。我國表面活性劑產(chǎn)量已居世界第二位居世界第二位, 全行業(yè)裝備水平有了較大提高, 且能生產(chǎn)50大系列所有常規(guī)表面活性劑,目前正在向綠色化、多功能、專用化方向發(fā)展。對我國表面活

19、性劑工業(yè)存在的問題和差距進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的對策和措施。2. 我國是表面活性劑我國是表面活性劑進(jìn)口大國進(jìn)口大國,出口小國出口小國我國每年進(jìn)口大量表面活性劑, 2004 年進(jìn)口206565 t, 用外匯31807 萬美元, 2005 年達(dá)231151 t, 用外匯39041萬美元;而出口卻很少, 2005 年出口73191 t,創(chuàng)匯僅8387萬美元, 出口量是進(jìn)口量的1 /3,出口額是進(jìn)口額的不到1 /5。存在問題和差距1. 1. 我國現(xiàn)在是表面活性劑生產(chǎn)大國我國現(xiàn)在是表面活性劑生產(chǎn)大國,但不是強國但不是強國表面活性劑人均人均擁有量盡管由1994年的0.138kg/ a上升到2005 年的2.3kg/ a,但與世界表面活性劑強國相比, 仍有較大差距, 如我國表面活性劑人均擁有量是美國的1 /13,不到日本的1 /4。3. 表面活性劑原料短缺表面活性劑原料短缺,仍需大量進(jìn)口仍需大量進(jìn)口4. 產(chǎn)品和裝備更新?lián)Q代任務(wù)仍很繁重產(chǎn)品和裝備更新?lián)Q代任務(wù)仍很繁重大型乙氧基化裝置已進(jìn)口11 套,大型磺化裝置進(jìn)口60套5. 缺乏國際競爭力缺乏國際競爭力,市場占有率低市場占有率低無跨國公司6. 科研項目多科研項目多,對外公開成果少對外公開成果少,產(chǎn)