[原创]表面活性剂的润湿作用

[原创]面活性剂的润湿作用 表面活性剂的润湿作用 作 者,xhh 指 导 教 师, 作 者 单 位, 学 科 专 业, 2010年11月 摘 要 表面活性剂是指在溶剂中加入很少量即能显著降低溶剂表面张力,改变体系界面状态的物质。表面活性剂可以产生润湿或反润湿,乳化或破乳,分散或凝集,起泡或消泡,增溶等一系列作用。素有"工业味精"之美称,广泛应用于洗涤剂、纺织、皮革、造纸、塑料、橡胶、农药、冶金、矿业、医药、建筑、化妆品等工业。它是精细化工最重要的产品之一。 表面活性剂能够显著降低体系的表面或表面张力,当浓度超过临界胶束浓度时,在溶液内部形成胶束,从而产生日常生活中的多种作用,其中破乳与乳化作用就是其各种重要作用之一。表面活性剂的发展十分迅速,其应用领域很广,如食品、制药、纺织、金属加工、石油、建筑等行业。 关键字,表面活性剂、润湿功能、作用原理、影响因素、 应用实例 目 录 前言 ............................................................................. 4 一、润湿过程 .............................................................. 4 二、表面活性剂的润湿作用 ........................................ 5 1.在固体表面发生定向吸附 ................................... 5 2.提高液体的润湿能力........................................... 6 三、润湿剂 .................................................................. 6 四、表面活性剂在润湿方面的应用............................. 6 1.矿物的泡沫浮选 .................................................. 6 ,1,定义......................................................... 6 ,2,浮选法原理 ............................................. 7 ,3,浮选过程 ................................................. 7 2.金属的防锈与缓蚀 .............................................. 8 3.织物的防水防油处理........................................... 8 (1)防水处理 ...................................................... 8 (2)防油处理 ...................................................... 8 参考文献, ................................................................. 11 前言 润湿广泛存在于自然界的一种现象,最为普通的润湿是固体表面的气体被液体所取代,或是固-液界面上的一种液体被另一种液体取代。例如:洗涤.印染.润滑.农药喷洒等;还有一些场合往往不希望润湿发生,例如:防水.防油.防锈等。 润湿,是指一种流体被另一种流体从固体表面或固-液界面所取代的过程。即润湿过程往往涉及三相,其中至少两相为流体。 润湿是一种十分普遍的现象,常见的润湿过程是固体表面的气体被液体取代,或是固-液界面上的一种液体被另一种液体所取代。例如洗涤、印染、润滑、原油开采等润湿是前提。但有些场合又要防止润湿,如防水、防油等。 一、润湿过程 润湿过程分为三类,沾湿、浸润和铺展,产生不同的过程条件不同。 1.沾湿,主要指液-气表面和固-气表面的气体被液体取代的过程。如农药的喷洒时农药附着于植物的叶面上。 2.浸润,指固体浸入液体的过程,如洗衣时将衣物泡在水中。 3.铺展,液体取代固体表面上的气体,将固-气表面用固-液界面 取代的同时,液体表面能够扩展的现象即为铺展。 通常用接触角θ来衡量润湿程度。θ›900,液体不润湿,θ‹ 900 ,润湿,θ= 00,液体能在表面上自发展开或铺展。 二、表面活性剂的润湿作用 表面活性剂具有双亲结构,能够在表面发生定向吸附,降低液体表面张力,故可用来改变体系的润湿性质。其润湿作用主要表现在以下两个方面, 1.在固体表面发生定向吸附 极性基,亲水基,朝向固体,亲油基,非极性基,朝向气体,从而吸附在固体表面,形成定向排列的吸附层,是自由能较高的固体表面转化为低能表面,达到改变润湿性能的目的。 表面活性剂在固体表面的吸附状态是影响表面润湿性的重要因素。例如,云母是自由能较高的表面,水可以在其上铺展,当用表面活性剂溶液处理后,如果溶液的浓度增加到接近cmc时,云母表面变为疏水表面,因为发生了单分子层吸附,亲水基朝云母表面而亲油基朝空气,即变的疏水了。若增大表面活性剂浓度超过cmc后,云 母表面又变得亲水了,此时发生了双分子层吸附。第二层的分子与第一层的亲油基靠拢而将亲水基露在了空气中从而又具有了亲水性。 2.提高液体的润湿能力 水在低能表面不能铺展,为改善体系的润湿性质,常在水中加入表面活性剂,降低水的表面张力,使其能够润湿固体的表面。 三、润湿剂 所谓润湿剂是指能使液体润湿或加速固体表面润湿的表面活性剂。为了获得良好的润湿效果,作为润湿剂表面活性剂在结构和性质上应满足如下要求, 1.分子结构,良好的润湿剂碳氢链中应该有分支,亲水基位于长碳链的中部。 2.性质,具有较高的表面活性,有良好的扩散和渗透性,能迅速地渗入固体颗粒的缝隙间或孔性固体的内表面发生吸附。目前作为润湿剂使用的主要是阴离子和非离子型表面活性剂。 四、表面活性剂在润湿方面的应用 1.矿物的泡沫浮选 ,1,定义,矿物的浮选法是指利用矿物表面疏水-亲水性的差别从矿浆中浮出矿物的富集过程,也叫做浮游选矿法。 许多重要的金属在粗矿中的含量很低,在冶炼之前必须设法将金属同粗矿中的其他物质分离,以提高矿苗中金属的含量。 目前,铜 矿、钼矿、铁矿、金矿等都是采用浮选法对矿石进行处理。 ,2,浮选法原理,借助气泡浮力来浮游矿石,实现矿石和脉石分离的选矿技术。浮选过程使用的浮选剂由捕集剂、气泡剂、调整剂组成,其中捕集剂和起泡剂主要是由各类表面活性剂组成。 捕集剂的作用是以其极性基团通过物理吸附、化学吸附和表面化学反应,在矿物表面发生选择性吸附,以其非极性基团或碳氢链向外伸展,将亲水的矿物表面变为疏水的表面,便于矿物与体系中的气泡结合。 起泡剂在矿浆中产生大量的泡沫,可以使有用矿物有效地富集在空气与水的界面上。起泡剂还可以防止气泡并聚,延长气泡在矿浆表面存在时间的作用。 ,3,浮选过程,将粉碎好的矿粉倒入水中,加入捕集剂,捕集剂以亲水基吸附于矿粉表面,疏水基进入水相,矿粉亲水的高能表面被疏水的碳氢链形成的低能表面所替代,有力图逃离水包围的趋势。向矿粉悬浮液中加入发泡剂并通空气,产生气泡,发泡剂的两亲分子会在汽-液界面做定向排列,将疏水基伸向气泡内,而亲水的极性头留在水中,在汽-液界面形成单分子膜并使气泡稳定。 吸附了捕集剂的矿粉由于表面疏水,会向气-液界面迁移与气泡发生“锁合”效应。即矿粉表面的捕集剂会以疏水的碳氢链插入气泡内,同时起泡剂也可以吸附在固-液 界面上,进入捕集剂形成的吸附膜内。在气泡的浮力下,将矿粉一起带到水面上。从而达到选矿的目的。 2.金属的防锈与缓蚀 金属表面会发生化学反应或电化学反应而遭到破坏,而转变为离子,从而造成经济损失。为了防止金属腐蚀,可以在金属表面包覆一层保护层,应用缓蚀剂是一种很有效的方法。 原理,缓蚀剂的亲水基朝向金属表面而亲油基朝向外,可以形成疏水膜或吸附油形成油膜,而防止金属表面的电化学反应。 3.织物的防水防油处理 (1)防水处理,用塑料和油布制成的雨衣透气性不好,长时间穿着感觉不舒服。若将纤维织物用防水剂处理后,既可防水又具有很好的透气性。用防水剂溶液浸泡织物,表面活性剂的亲水基朝向纤维表面而亲油基朝外,变得疏水,从而达到防水的作用。 (2)防油处理,用碳氟表面活性剂处理纤维后,使织物的表面张力低于油的,从而使油不能润湿织物表面。 在自然界、技术和日常生活中,液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。彩色感光材料和录音、录像磁带在生产 过程中,都要将配制好的感光材料涂液或磁浆,又快又均匀地涂布到固体薄片基上,然后再干燥、裁切、整理包装成产品。能不能又快又均匀地涂上去,就与所涂液体能否在固体薄片基,现通常是采用涤纶薄膜片基,上润湿,并能迅速铺展开来密切相关。现在比较讲究的印刷纸张表面要加上一层薄薄的涂料,其涂布过程也要考虑涂液对纸基需要有好的润湿性能。在印刷过程中,要又快又好地印出多彩的图案来,各种油墨对纸张也要有好的润湿性能。即使在日常生活中,墙壁的刷浆、家具的刷漆,均都有类似的需要润湿性能好的问题 生活中有时也希望应用不润湿的现象。几乎所有的防水用品,都希望水对其不润湿。例如风雨衣、雨伞的面布,就希望雨水打到上面后完全不润湿,形成水珠落下。 据报道,法国有人看到郁金香花瓣的表面粗糙不平,上面有许多仿佛人汗毛形状的物质,当水滴到郁金香花瓣上,因不润湿而保持圆珠状,并自己滑走,从而试图把这—原理嫁接到汽车的挡风玻璃上,将玻璃表面处理成郁金香花瓣表面那样,使水不润湿。当雨水落在这种经过改造的挡风玻璃上,会保持圆珠状,当汽车在行驶时,由于风速和重力的原因,雨滴会自动滑走。如果这一技术成功,汽车的雨刷将成为摆设。其实从一千多年前韦应物和白居易的诗,我们也应可以得到启发,仿照荷叶面或小草表面来改造玻璃面,使雨水完全不润湿,也可以达到雨滴从汽车挡风玻璃上自动滑走的目的。 毛细现象示意图 表面张力与润湿现象的联合作用,形成了毛细现象。毛细现象是指将内径很小的管子,毛细管,插入液体中,管内外液面产生高度差的现象。当液体与构成毛细管的固体材料润湿时,管中液面升高并呈凹状,当液体与毛细管材料不润湿时,管中液面下降并呈凸形。毛细现象在科学技术和日常生活中经常可以见到。含有许多毛细管的“上水石”,可作为盆景中的假山,它正是靠水因毛细作用上升的现象,使假山上的植物获得水分。 植物所以能够通过根和茎将土壤中的水和养分吸收到自己机体中来,其重要原因也是凭借机体中的毛细管和毛细作用。土壤里有很多毛细管,地下的水分沿着这些毛细管上升到地面上来,如果要保存地下的水分,就要锄松地面的土壤“保墒”,以破坏土壤表层的毛细管,减少水分的蒸发。润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器,靠的也是毛细现象。大量多孔性的固体材料,如纸张、纺织品、粉笔、海绵、砖块等能够吸水,是因为水能润湿这些多孔性物质,从而产生毛 细现象。“山云蒸,柱础润”,“础润而雨”,础石是多孔性材料,也正是因空气中所含大量水分,由毛细现象使础石潮湿,从而可以作为空气湿度大,将要下雨的预示。 参 考 文 献 1.表面活性剂化学/王世荣,李祥高,刘东志等编.-2版.北京,化学工业出版社,2010.4