表面活性剂在工业中的应用

表面活性剂在工业中的应用

姓名：王化东专业：材料科学与工程

摘要：介绍了表面活性剂在选煤、纺织、食品、材料制备、造纸、制药等工业领域的应用，并解释了其作用的机理，以及在工业中应用不规范对环境和人自身的危害。

关键词：表面活性剂；应用；机理

The Application of Surfactant in Industry

Abstract:In this paper, the application of surfactants in the coal, textile, food, material preparation, papermaking, pharmaceutical and other industrial fields have been introduced. The mechanism of its action and the harm to environment and human caused by the non-standard application in industrial were explained.

Key words:sur factant;application;mechanism

前言

能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。表面活性剂依靠自身独特的两亲性结构而具有降低表面张力、起泡、乳化、分散、润湿、增溶、渗透和抗静电等性能,在各种工业和消费品应用中有重要的地位。目前,世界表面活性剂消耗量约为900万t,其中工业用量占55%,已广泛应用于选煤、纺织、食品、材料制备、造纸、制药等工业领域。

1 表面活性剂在选煤中的应用

选煤是洁煤技术中最经济有效的途径之一,是国际上公认的洁煤技术中的重点。表面活性剂因其具有双亲结构的特点,在选煤中有着重要的作用。开采到的

煤粒,一般被粘土粘污,大颗粒表面粘土易洗去,但煤泥中有相当可观的小煤粒,一般用泡沫浮选法回收。在浮选过程中,单靠煤与碱石表面性质的自然差异还不够,必须向煤浆中添加一定量的浮选药剂,以提高煤表面的疏水性使煤粒能更好地粘附在气泡上,形成矿化泡沫层。再者,在单纯的煤浆中充气,产生的气泡极易破裂,应添加浮选药剂增加其稳定性和分散性,因此浮选效果的好坏取决于浮选药剂。同样为提高絮凝法选煤的效果,应在絮凝过程中加入分散性较好的助剂,这些助剂是高分子表面活性剂,分子链较长,在煤粒表面的吸附能力较强,絮凝效果也较好。目前我国浮选选煤约占煤炭入洗量的15%～25%,表面活性剂在此过程中的用量每年达7000多t,主要是起泡剂,还有少量的添加剂和脱水剂。其中应用最多的起泡剂有甲基异丁基甲醇、杂醇油、聚乙二醇和聚丙二醇等,每年我国纯起泡剂的用量约3500t。与发达国家相比,我国原煤入洗比重还相当低,随着对环境保护要求的提高,我国将努力加大煤炭的入洗比重,相应地加大起泡剂的用量。

2 表面活性剂在纺织工业中的应用

2.1洗净剂

洗净剂也称洗涤剂,在纤维纺织过程中应用广泛,如棉布的退浆和煮练、羊毛的脱脂和洗涤、生丝的脱胶、合成纤维的脱油、织物染色和印花后清除未固色的染料等工序,都使用洗净剂。其在水中具有乳化、润湿、起泡、胶溶和悬浮等性能,从而表现出显著的去污能力,且耐硬水,遇到钙、镁离子不会产生沉淀,在水中不产生游离碱,不会损伤丝、毛织物的强度,不仅能在碱性或中性溶液中使用,还可在酸性溶液中使用,洗涤过程快,用量少,低温也可洗涤[1,2]。由于阳离子表面活性剂会产生静电吸附,导致表面活性剂的疏水基向着水溶液,分散后的污垢容易再沾污到织物表面,这样对于织物净洗极为不利。因而,作为洗涤用的表面活性剂多用非离子、阴离子和两性离子[3]。新型产品有茶皂素、多肽基表面活性剂[4]。

2.2匀染剂和分散剂

避免染色不均匀或染斑,是印染工艺的主要任务之一。匀染剂是指染色中能延缓染料上染纤维速度(缓染),并能使染料在纤维上从高浓度的部位转移到低浓度的部位(移染),从而避免出现深浅不均和色斑现象,并且不降低染色坚牢度的一

类助剂。表面活性剂可以增加染料的溶解度,增强其纤维上的渗透力和附着力,增强其色泽和提高纺织品的耐洗度。某些阴离子表面活性剂,如烷基磺酸钠、高级脂肪醇硫酸钠盐等,可用作天然纤维、锦纶纤维的亲纤维型匀染剂。分散剂是染料加工和染料应用中不可缺少的助剂,分散剂在染色中具有两个主要特殊作用:一是拆开聚集离子的反絮凝作用;二是保持分散粒子稳定的能力。有的分散剂本身就兼有分散性和移染性等多种作用,既可作为染料加工用扩散剂,又可作为印染中的匀染剂。苏喜春等人[5]在进行羊毛染色实验中发现,十八烷基胺聚氧乙烯醚硫酸酯钠盐能显著改善弱酸性艳蓝RAW对羊毛的匀染性和润湿性能,浓度越大,匀染性越好。

随着各种新型染色技术的逐步成熟,比如微波染色[6]、泡沫染色、数码印花[7]和超临界流体染色[8]等,对匀染剂和分散剂提出了更高的要求。

2.3抗静电剂

为消除或防止纺织过程中各工序产生的静电和在织物整理工序时或过程中的静电,必须使用抗静电剂。其作用主要在于使纤维的表面具有吸湿性和离子性,从而降低纤维的绝缘性,提高导电度,并能中和电荷,达到消除或防止静电产生的目的。Choi等[9，10]研究了在阳离子Gemini表面活性剂12-3-12和12-6-12存在下,染料1,4-二胺蒽醌(1,4-DAA)对尼龙-6和聚酯的分散染色性能,发现Gemini表面活性剂可用于控制染色动力学和改善染料的吸收。

3表面活性剂在食品工业中的主要作用

3.1表面活性剂作乳化剂

乳化剂的分子内通常具有亲水基(羟基等)和亲油基(烷基),易在水与油的界面上形成吸附层,属表面活性剂,可分为油包水型和水包油型两类。可用的乳化剂总数约65种,常用的有脂肪酸甘油酯(主要为单甘油脂)、脂肪酸蔗糖酯、明胶和蛋黄等。乳化剂能改善乳化体中各种构成相互之间的表面张力,使之形成均匀的分散体或乳化体,从而改善食品组织结构、口感和外观,提高食品保存性等。例如,在冰淇淋的生产中,冰淇淋产品质量的关键指标包括口感细腻、膨胀率高,通过使用合适的乳化剂,可提高发泡能力,改进组织的均匀性,从而得到高质量的冰淇淋。

3.2表面活性剂作增稠剂

增稠剂是能提高食品粘度或形成凝胶的一类添加剂,具有稳定乳化或悬浊状态的作用,属亲水性高分子化合物,一般称高分子表面活性剂,亦称粘度调节剂,胶凝剂和乳化稳定剂等。分天然和化学合成两类。如淀粉,阿拉伯树胶、瓜尔豆胶、纤维素乙醇酸和聚丙烯酸钠、淀粉乙醇酸钠等。

4表面活性剂在多孔材料制备中的应用

有序介孔材料是最常见的介孔材料。利用表面活性剂形成的超分子结构为模板,采用溶胶-凝胶工艺,通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装成一类孔径约1.5nm～30nm、具有孔径分布窄且有规则孔道结构的无机多孔材料[11]。合成过程中的三个主要组分是:无机物种(前驱物),用来生成无机孔壁。表面活性剂(模板剂),在组装(介观结构生成)过程中起决定性导向作用。溶剂作为反应场所(介质)。合成可分成两个主要阶段:①利用具有双亲性质(含有亲水和疏水基团)的表面活性剂有机分子与可聚合无机单体分子或无机源在一定的合成环境下自组织生成具有纳米尺寸的有机-无机液晶相(介观结构)。②利用高温热处理或萃取等物理化学方法脱除有机模板剂(表面活性剂),即得具有介孔孔道的介孔材料。合成机理为基于表面活性剂合成介孔分子筛,其核心为模板机制。目前有多种机理:Beck等[12]提出的液晶模板机理;Monnier等提出的电荷密度匹配机理;霍启升等依据表面活性剂和无机物种间的各种不同相互作用提出的广义液晶模板机理;Inagaki等提出的硅酸盐片迭机理;以及Attard和Antonietti等人的真正液晶模板机理。①液晶模板机理。其核心是液晶相或胶束作为模板剂。认为表面活性剂生成的溶致液晶作为形成MCM-41结构的模板剂。具有亲水和疏水基团的表面活性剂(有机模板)在水的体系中先形成球形胶束,再形成棒状(柱状)胶束。胶束的外表面由表面活性剂的亲水端构成,当表面活性剂浓度较大时,生成六方有序排列的液晶结构,溶解在溶剂中的无机单体分子或齐聚物因与亲水端存在引力,沉淀在胶束棒之间的孔隙间,聚合固化构成孔壁。表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之前形成的。②协同作用机理。认为表面活性剂生成的液晶作为形成MCM-41结构的模板剂,但是表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之后形成的,形成表面活性剂介观相是胶束和无机物种相互作用的结果。a)由于有机相与无

机相界面之间复杂的相互作用(如静电吸引力、氢键作用或配位键等)导致无机物种在界面的浓缩,从而产生胶束加速无机物种的缩聚过程。b)无机物种的缩聚反应对胶束形成类液晶相结构有序体的促进作用。对孔道形状、孔径大小进行人为调变也取得了一定进展[13]。

A液晶模板机理B协同作用机理

5 表面活性剂在造纸工业中的应用

5.1蒸煮渗透剂

表面活性剂的作用功能之一就是可显著改善润湿性能,对固体表面可通过表面活性剂在表面进行单层吸附,使表面拒水、抗黏,通过多层吸附使表面更加亲水。对于液体界面,表面活性剂可通过降低界面张力,增大润湿性,提高渗透作用[14]。在蒸煮液中加入表面活性剂,可以促进蒸煮液在纤维原料中的渗透,缩短药液渗入到植物纤维原料内部的时间,从而加速了脱木素和树脂抽提过程,同时还可以适当减少蒸煮药液的用量[15]。

5.2树脂障碍控制剂

经过制浆处理后的纸浆在漂白过程中会析出残余的树脂,如不及时分离会形成黏性淤积物,黏附于设备、纸机铜网、毛布和烘缸上,造成造纸障碍,影响正常抄纸,还会产生纸病。另外由于造纸行业中大量采用废纸,废纸中的胶黏剂、油墨黏连料、涂布黏合剂等树脂性物质同样会产生树脂障碍影响抄造。据报道,全球造纸树脂及沉积物障碍控制剂的销售额大于3.1亿美元[16]。最常用的树脂障碍控制剂是表面活性剂。阴离子表面活性剂是目前应用最为广泛的表面活性剂,如脂肪

醇硫酸盐、烷基苯磺酸及高级醇、磷酸酯等[17]。阳离子表面活性剂主要为烷基胺盐或季铵盐。非离子表面活性剂主要有聚乙二醇型与多元醇等。

5.3纤维分散剂

对于造纸过程来说,纤维、填料和一些助剂等都具有不溶于水的特性,它们有在水溶液中自行聚集的趋势,而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离。这样就难以得到性能均匀、强度理想的纸张。纤维分散剂的主要作用是减少纤维絮凝,改进纸料成形。纤维分散剂能使纤维表面形成双分子层结构,外层分散剂极性端与水有较强的亲合力,增加被水润湿的程度,并因静电斥力而远离,达到分散的效果。常用的纤维分散剂有部分水解的聚丙烯酰胺(PAM)、聚氧化乙烯(PEO)等。PEO具有较强的黏性、水溶性、润湿性好等特点,在高档卫生纸中添加0.05%以下,就能取得良好的分散效果。孪连表面活性剂有强的润湿、渗透性能,它显著降低水的表面张力,改善了纤维表面的润湿程度,提高了分散度。另外,它在分散相表面定向吸附,产生相互斥力,防止了分散相的絮聚。表面活性剂能在纤维表面形成疏水基向外的反向吸附,降低纤维物质的动静摩擦系数,从而获得平滑柔软的手感[18]。

6 表面活性剂在制药工业中的应用

6.1在液体制剂中做增溶剂

所谓液体制剂是以液体形态用于治疗的制剂。按其应用,液体制剂可分为内服、外用、注射三类。在药剂学中常遇到一些难溶于水的药物要配成水溶液的问题,这时增加难溶物溶解度便成了关键,目前解决此类问题的措施之一是加入表面活性剂,使难溶药物加溶在胶束内,增大其溶解度。增溶剂在药物制剂中有很多应用,可用于口服制剂、注射剂等。内服制剂和注射剂所用的增溶剂大多属于非离子型表面活性剂。选择增溶剂时要慎重,先考虑有没有毒性,会不会引起红血球破坏而产生溶血作用,还要考虑增溶剂的性质是否稳定,要注意不能与主药发生化学反应。有些增溶剂会降低杀菌剂的效力,有的还会使口服液制剂产生不良气味。增溶剂的加入有加水法和加剂法两种,不同的加入顺序会产生截然不同的溶解效果。增溶剂可防止或减少药物氧化,这是因为药物被增溶在胶团之内,与氧隔绝,

从而有效地防止了药物被氧化。同时,对大多数药物来讲,加入增溶剂后还可增大对药物的吸收,增强生理活性。但并不是所有药物被增溶后生理活性都增加,如水杨酸被增溶后,生理活性反而下降[19]。

7表面活性剂的危害

一般认为，土壤胶体多带负电荷，加入阴离子表面活性剂后其表面电势增加，胶体之间的排斥力增加；加入阳离子表面活性剂后情况正好相反，土壤化学性质的改变会直接影响土壤中化合物的行为[20]。降低了土壤中交换态和碳酸盐结合态镉的含量，增加了土壤中铁锰氧化物结合态和有机结合态镉的含量，从而降低了土壤中镉的可移动性和生物有效性[21]。当进入污水处理厂污水中的表面活性剂达到一定浓度时，会影响曝气、沉淀、污泥硝化等诸多过程，饮用水中含有过多表面活性剂时会有不良的嗅和味，有油腻感。表面活性剂对植物生长的影响有临界浓度，当其浓度低于临界浓度时对植物的生长有一定的促进作用，但随其浓度的增加逐渐会出现毒害作用，这种毒害主要由于表面活性剂能与生物膜结合并插入或透过膜，在膜内形成胶束，随着表面活性剂浓度的增加，就会造成膜蛋白和脂分离，使膜解体。现代生活大部分的洗涤剂、护肤美容产品主要成分都是表面活性剂，长期使用会对皮肤产生刺激作用，使表皮老化，产生一定程度的损伤，重者可引起表皮坏死、腐肉形成和断裂；表面活性剂进入人体后产生的影响有很大一部分是通过作用于人体内的酶实现的，在一定浓度下，表面活性剂使原本不该活化的酶被激活，而在高于一定浓度时，酶的活性又被抑制，打乱了人体正常的生理功能，表面活性剂的毒性就通过种种病症表现出来。

结束语

表面活性剂获得了广泛的应用,被誉为“工业味精”。表面活性剂分子具有两亲性,在水溶液中极易富集于表面,从而显著改变溶液性质,且随着分子中亲水和亲油比例的不同、结构的不同,表现出的性质亦有差异。随着胶体与表面化学、材料科学、生物科学的研究与发展, 表面活性剂在工业的应用将发挥更大作用。

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