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表面活性劑及其C-A復(fù)配體系摘要:本文主要介紹了表面活性的種類、特性以及復(fù)配方法。并著重介紹了C-A復(fù)配體系的復(fù)配方法、性能以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞:陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、復(fù)配體系一、表面活性劑結(jié)構(gòu)特征及分類表面活性劑是指既具有親水性又具有親油性,在溶液的表面能定向排列,并能使表面張力顯著下降的物質(zhì)。它是一大類有機(jī)化合物,他們的性質(zhì)極具特色,應(yīng)用極為靈活、廣泛,有很大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。表面活性劑既含有疏水基又含有親水基,總稱為雙親分子。為了達(dá)到穩(wěn)定,表面活性劑溶于水時(shí),可以采取兩種方式:1、在液面形成單分子膜。將親水基留在水中而將疏水基伸向空氣,以減小排斥。而疏水基與水分子間的斥力相當(dāng)于使表面的水分子受到一個(gè)向外的推力,抵消表面水分子原來受到的向內(nèi)的拉力,亦即使水的表面張力降低。2、形成“膠束”。膠束可為球形,也可是層狀結(jié)構(gòu),都盡可能地將疏水基藏于膠束內(nèi)部而將親水基外露。這類表面活性劑具有增溶作用。如溶液中有不溶于水的油類(不溶于水的有機(jī)液體的泛稱),則可進(jìn)入球形膠束中心和層狀膠束的夾層內(nèi)而溶解。按表面活性劑溶于水時(shí)的電性特征,表面活性劑可分為:①陰離子表面活性劑(表面活性劑的親水頭為陰離子);陽離子表面活性劑(表面活性劑的親水頭為陽離子);非離子表面活性劑(表面活性劑的親水頭為一些極性基,如在水中不能解離的羥基或聚氧乙烯醚,即溶于水時(shí)不帶電);兩性離子表面活性劑(表面活性劑的親水頭既含有陰離子又含有陽離子,即溶于水時(shí)帶正電和負(fù)電)。二、表面活性劑復(fù)配系統(tǒng)概述不同表面活性各自有其特點(diǎn)。通常,改變表面活性劑應(yīng)用性能的途徑有兩種:一種是根據(jù)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系設(shè)計(jì)合成新型表面活性劑,另一種是通過多種表面活性劑的復(fù)配得到具有優(yōu)異性能的產(chǎn)品。開發(fā)表面活性劑新品種往往難度很大,而且進(jìn)行毒性安全性試驗(yàn)也很困難。相比較而言,通過復(fù)配的方法改進(jìn)體系的特性就比較迅速、經(jīng)濟(jì)、有效。近年來,對(duì)表面活性劑復(fù)配協(xié)同增效的研究正在引起越來越多的重視,不同結(jié)構(gòu)的表面活性劑組成的復(fù)配體系不僅可以形成多種多樣的體相締合結(jié)構(gòu),而且在界面上可以發(fā)生協(xié)同吸附,比單一表面活性劑體系降低界面張力的力更強(qiáng),利用表面活性劑復(fù)配提高界面活性已經(jīng)成為強(qiáng)化采油等應(yīng)用領(lǐng)域有效的技術(shù)措施之一。表面活性劑復(fù)配后,一方面由于分子間相互作用,性基團(tuán)之間的靜電排斥作用減小,排列更為緊密;另一方面,二者的碳?xì)滏溣捎谑杷?yīng)也會(huì)相互吸引。因此,在溶液內(nèi)部的表面活性劑分子更容易聚集形成膠團(tuán);在表面吸附層中,表面活性劑分子排列更為緊密,吸附量更大。因此,表面活性劑復(fù)配后對(duì)于表(界)面吸附和溶液中膠束形成都有一定的促進(jìn)作用。這種復(fù)配表面活性劑表現(xiàn)出的比單一表面活性劑更為優(yōu)越的性能現(xiàn)象,被稱為表面活性劑協(xié)同增效作用。表面活性劑復(fù)配體系的組成有多種選擇,下面列舉幾種常見的復(fù)配方式:1、非離子與離子表面活性劑復(fù)配這種混合體系已經(jīng)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用,但目前缺乏其作用機(jī)理的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為非離子表面活性劑的加入使得離子表面活性劑間的斥力減弱,從而促進(jìn)了膠團(tuán)的形成。有研究表明,陰離子表面活性劑一非離子表面活性劑體系的相互作用強(qiáng)于陽離子一非離子表面活性劑體系。2、表面活性劑和強(qiáng)鍵接反離子強(qiáng)鍵接反離子是與表面活性劑帶相反電荷的小分子,常見的如水楊酸根離子、對(duì)甲苯磺酸根離子等。它與表面活性劑的復(fù)配體系能顯著提高其粘度3、陽離子表面活性劑與陰離子表面活性劑的混合研究表明,在所有表面活性劑復(fù)配系統(tǒng)中,陰、陽離子表面活性劑復(fù)配系統(tǒng)(C-A復(fù)配系統(tǒng))具有最強(qiáng)的協(xié)同作用。陰、陽離子表面活性劑復(fù)配系統(tǒng),由于其帶有相反電荷的離子頭基間的強(qiáng)靜電相互作用,具有強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)和高表面活性,在水溶液中可形成豐富的微觀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出復(fù)雜的相行為。該體系長(zhǎng)期未得到重視的一個(gè)主要原因也正是因?yàn)榇嬖谟诒砻婊钚詣O性頭之間的強(qiáng)的作用力容易使得其在水中生成沉淀或絮狀物。三、對(duì)陰-陽離子表面活性劑復(fù)配體系(C-A復(fù)配系統(tǒng))的深入研究近年來對(duì)C-A復(fù)配體系的研究主要集中在表面活性、微觀結(jié)構(gòu)和相行為等幾個(gè)方面。首先,C-A復(fù)配體系,由于帶相反電荷的極性頭之間的強(qiáng)靜電作用,使得該體系的表面活性大大提高,在溶液的界面或表面上具有很強(qiáng)的吸附能力。一般來講,表面活性劑的表面活性隨著極性基增大而增大,但與單一體系相比,在C-A復(fù)配體系中這種規(guī)律不是很明顯。由此可以看出陰、陽離子表面活性劑分子相互作用之強(qiáng),以致于掩蓋了極性基體積的影響。1、微觀結(jié)構(gòu)C-A復(fù)配體系的水溶液有豐富的微觀結(jié)構(gòu),包括從球狀、棒狀、蠕蟲狀膠束,層狀、片狀、帶狀,液晶,囊泡和沉淀等等。下面主要對(duì)C-A復(fù)配體系中蠕蟲狀膠束的形成條件進(jìn)行了研究。在陰陽離子表面活性劑復(fù)配體系中,由于陰陽離子表面活性劑相互作為反離子發(fā)生更加強(qiáng)烈的結(jié)合,更易形成棒狀膠束(蠕蟲狀膠束)。如十二烷基三丁基漠化銨和十二烷基硫酸鈉混合液粘度很大,幾乎不能流動(dòng),并有剪切稀釋現(xiàn)象。蠕蟲狀膠束的剪切粘度與剪切速率的關(guān)系曲線呈現(xiàn)相圖的形狀,即在很低的剪切速率下剪切粘度的大小基本不變,在高剪切速率下,剪切粘度隨著剪切速率的增大而減小,出現(xiàn)剪切稀釋現(xiàn)象。2、相行為對(duì)于C-A復(fù)配體系相行為的研究主要是其形成的雙水相體系。當(dāng)將陰、陽離子表面活性劑在一定條件(溫度、配比、總濃度等)下進(jìn)行混合時(shí),其水溶液可以自發(fā)地分離成兩個(gè)互不相溶的且具有明確
相界面的水相,這種體系被稱為陰陽離子表面活性劑雙水相(ATPS),簡(jiǎn)稱表面活性劑雙水相。除了陰陽離子表面活性劑雙水相體系外,還有非離子表面活性劑雙水相體系和陽離子表面活性劑雙水相體系。下面,主要對(duì)CTAB/AS/H2O復(fù)配體系的雙水相的形成進(jìn)行研究。其中相區(qū)1和4是雙水相區(qū),其他是單向區(qū)或非均相區(qū)0.002340.002343、濃度及配比對(duì)CA復(fù)配體系粘度的影響在實(shí)驗(yàn)過程中,我們以純水配制等濃度的0.1molLiCTAB和AS的溶液。將這兩種溶液按照Vctab:Vas=1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1的比例的進(jìn)行混合,溶液混勻后將樣品在40°C的恒溫槽中恒溫24小時(shí)后觀察現(xiàn)象,對(duì)于相行為發(fā)生變化的兩個(gè)配比范圍再密集補(bǔ)點(diǎn),需找CTAB/AS/H2O復(fù)配體系的單相區(qū)、雙相區(qū)和沉淀區(qū),確定雙相區(qū)的寬度和位置。利用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定樣品
200180-160-140-120-100-80-60-40200180-160-140-120-100-80-60-40-20-0-05101520253035404550556065707580859095100X/%CTAB通過比對(duì)不同濃度配比下粘度的差距,找出C-A復(fù)配體系的最佳配比。陰陽離子表面活性劑的復(fù)配體系的粘度與其單組分相比粘度較大,而且當(dāng)兩種表面活性劑的配比合適時(shí),將會(huì)出現(xiàn)粘度的極大值。即適當(dāng)濃度下不等比例(其中一種只占總量少部分)配合依然會(huì)產(chǎn)生很高的表面活性與增效作用。一種表面活性劑組分過量很多的復(fù)配物較等摩爾的復(fù)配物的溶解度大得多,溶液因此不易出現(xiàn)混濁,這樣就可采用價(jià)格較低的陰離子表面活性劑為主,配以少量的陽離子表面活性劑得到表面活性極高的復(fù)合表面活性劑。四、表面活性劑及其復(fù)配體系的應(yīng)用價(jià)值目前,表面活性劑復(fù)配體系的研究與應(yīng)用已形成熱點(diǎn)。如表面活性劑與無機(jī)物、高聚物或表面活性劑之間復(fù)配等,其目的是提高含表面活性劑配方的性能,優(yōu)化使用并提高經(jīng)濟(jì)效益。陰-陽離子表面活性劑復(fù)配的增效效應(yīng):1、降低表面張力的效能復(fù)配溶液所能達(dá)到的最低表面張,在單組分的碳?xì)滏湵砻婊钚詣┲猩形匆妶?bào)道能達(dá)到比復(fù)配體系更低的的表面張力和界。2、降低表面張力的效率達(dá)到指定的表面張力Y時(shí),復(fù)配體系所需表面活性劑總濃度比單一表面活性劑溶液所需濃度低。3、降低CMC復(fù)配體系的CMC小于每一單純組分表面活性劑的CMC,甚至呈現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。4、表面吸附陰-陽離子表面活性劑復(fù)配后會(huì)導(dǎo)致每一組分吸附量增加,這是由于陰、陽離子表面活性劑間存在強(qiáng)烈相互作用,這種相互作用包括異性離子間的靜電吸引作用以及烴基間的憎水相互作用。增效效應(yīng)的應(yīng)用:1、去污性能陽離子表面活性劑可少量添加在以陰離子表面活性劑為主的洗滌劑中作為增效劑,提高去污能力。2、增溶性能許多研究表明,陰-陽離子表面活性劑混合膠團(tuán)對(duì)非極性或微
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