表面活性剂

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表面活性剂是降低两种液体之间、气体和液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的化合物。表面活性剂可用作清洁剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂或分散剂。 增加表面张力的试剂是字面意义上的“表面活性剂”,但不称为表面活性剂,因为它们的作用与通常的含义相反。表面张力增加的一个常见例子是盐析:通过在弱极性物质的水溶液中加入无机盐,该物质会沉淀。该物质本身可能是一种表面活性剂——这是许多表面活性剂在海水中无...

什么是表面活性剂

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表面活性剂是降低两种液体之间、气体和液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的化合物。表面活性剂可用作清洁剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂或分散剂

增加表面张力的试剂是字面意义上的“表面活性剂”,但不称为表面活性剂,因为它们的作用与通常的含义相反。表面张力增加的一个常见例子是盐析:通过在弱极性物质的水溶液中加入无机盐,该物质会沉淀。该物质本身可能是一种表面活性剂——这是许多表面活性剂在海水中无效的原因之一。

表面活性剂的组成和结构

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包覆胶束的表面活性剂分子的极性“头部”与水的相互作用更强烈,因此它们形成亲水外层,在胶束之间形成屏障。这会抑制油滴,即胶束的疏水核心,合并成更少、更大的胶束液滴(“破”)。包覆胶束的化合物通常是两亲性的,这意味着胶束可以作为非质子液滴稳定溶剂如水包油,或质子溶剂如油包水。当液滴是非质子的时,它有时是称为反胶束。

表面活性剂通常是两亲性的有机化合物,这意味着它们同时包含疏水基团(它们的尾部)和亲水基团(它们的头部)。因此,表面活性剂既含有水不溶性(或油溶性)成分,又含有水溶性成分。表面活性剂会在水中扩散并在界面处吸附在水和油混合的情况下,空气和水之间或油和水之间的界面。水不溶性疏水基团可以延伸出主体水相、进入空气或进入油相,而水溶性头部基团保留在水相中。

世界表面活性剂的年产量估计为1500万吨,其中大约一半是肥皂。其他特别大规模生产的表面活性剂是直链烷基苯磺酸盐(170万吨/年)、木质素磺酸盐(600,000吨/年)、脂肪醇乙氧基化物(700,000吨/年)和烷基酚乙氧基化物(500,000吨/年)。

硬脂酸钠是大多数肥皂中最常见的成分,约占商业表面活性剂的50%4-(5-十二烷基)苯磺酸盐,一种线性十二烷基苯磺酸盐,最常见的表面活性剂之一

水中表面活性剂相的结构

本体水相中,表面活性剂形成聚集体,例如胶束,其中疏水尾部形成聚集体的核心,而亲水头部与周围液体接触。也可以形成其他类型的聚集体,例如球形或圆柱形胶束或脂质双层。聚集体的形状取决于表面活性剂的化学结构,即亲水头和疏水尾之间的大小平衡。衡量这一点的是亲水-亲油平衡(HLB)。表面活性剂通过吸附在液-气界面上来降低水的表面张力。将表面张力和表面过量联系起来的关系称为吉布斯等温线。

界面表面活性剂的动力学

表面活性剂吸附动力学对于实际应用非常重要,例如在发泡、乳化或涂层过程中,其中气泡或液滴迅速产生并需要稳定。吸收动力学取决于表面活性剂的扩散系数。随着界面的产生,吸附受到表面活性剂扩散到界面的限制。在某些情况下,表面活性剂的吸附或解吸可能存在能量屏障。如果这样的屏障限制了吸附速率,则动态被称为“动力学限制”。这种能量势垒可能是由于空间或静电排斥。表面流变学表面活性剂层的弹性和粘度对泡沫和乳液的稳定性起着重要作用。

界面和表面活性剂层的表征

界面张力和表面张力可以通过经典方法来表征,例如悬垂法或旋转滴法。动态表面张力,即作为时间函数的表面张力,可以通过xxx气泡压力装置获得

表面活性剂层的结构可以通过椭偏法或X射线反射率来研究。

表面流变学可以通过摆动滴法或剪切表面流变仪如双锥、双环或磁棒剪切表面流变仪来表征。

在生物学

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人体产生多种表面活性剂。肺表面活性剂在肺中产生,以通过增加总肺活量和肺顺应性来促进呼吸。在呼吸窘迫综合征或RDS中,表面活性剂替代疗法通过使用表面活性剂的药物形式帮助患者进行正常呼吸。药物肺表面活性剂的一个例子是Survanta(beractant)或其通用形式Beraksurf,分别由Abbvie和Tekzima生产。胆汁盐是肝脏中产生的一种表面活性剂,在消化中起重要作用。

安全和环境风险

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大多数阴离子和非离子表面活性剂是无毒的,其LD50与食盐相当。具有抗菌和抗真菌作用的季铵化合物的毒性各不相同。用作织物柔软剂的二烷基二甲基氯化铵(DDAC、DSDMAC)的LD50低(5g/kg)且基本无毒,而消毒剂烷基苄基二甲基氯化铵的LD50为0.35g/kg。长时间接触表面活性剂会刺激和损伤皮肤,因为表面活性剂会破坏脂质膜保护皮肤和其他细胞。在系列非离子、两性、阴离子、阳离子表面活性剂中,皮肤刺激性通常会增加。

表面活性剂通常以多种方式沉积在陆地水系统中,无论是作为预期过程的一部分还是作为工业和家庭废物。

作为污水污泥施用、废水灌溉和修复过程的结果,可以在土壤发现阴离子表面活性剂。相对高浓度的表面活性剂与多金属一起可能会带来环境风险。在低浓度下,表面活性剂的应用不太可能对痕量金属迁移率产生显着影响。

在“深水地平线”漏油事件中,空前数量的Corexit被直接喷入泄漏处和海水表面的海洋中。显而易见的理论是表面活性剂隔离油滴,使消耗石油微生物更容易消化油。Corexit中的活性成分是二辛基磺基琥珀酸钠(DOSS)、山梨糖醇单油酸酯(Span80)和聚氧乙烯化山梨糖醇单油酸酯(Tween-80)。

生物降解

由于释放到环境中的表面活性剂的体积,它们的生物降解是非常令人感兴趣的。促进降解的策略包括臭氧处理和生物降解。两种主要的表面活性剂,直链烷基苯磺酸盐(LAS)和烷基酚聚氧乙烯醚(APE)在污水处理厂和土壤中发现的需氧条件下分解为壬基酚,这被认为是一种内分泌干扰物。对生物可降解表面活性剂的兴趣引起了对“生物表面活性剂”的极大兴趣,例如从氨基酸中提取的那些。

备受关注的是含氟表面活性剂的非生物降解性,例如全氟辛酸(PFOA)。

表面活性剂的应用

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2008年全球表面活性剂年产量为1300万吨。2014年,世界表面活性剂市场规模超过330亿美元。市场研究人员预计,到2022年,年收入将每年增长2.5%,达到约404亿美元。目前商业上最重要的表面活性剂类型是阴离子表面活性剂LAS,它广泛用于清洁剂和洗涤剂

表面活性剂在许多实际应用和产品中作为清洁剂、润湿剂、分散剂、乳化剂、发泡剂和消泡剂发挥着重要作用,包括洗涤剂、织物柔软剂、机油、乳液、肥皂、油粘合剂、油墨、防雾剂、滑雪蜡、滑雪板蜡、再生纸脱墨、浮选、洗涤和酶促工艺以及泻药.还有农用化学制剂,例如除草剂(一些)、杀虫剂杀生物剂(消毒剂)和杀精子剂(nonoxynol-9)。个人护理产品,如化妆品洗发水沐浴露、护发素和牙膏。表面活性剂用于消防和管道(液体减阻剂)。碱性表面活性剂聚合物用于使油井中的油流动。

表面活性剂的作用是从棉垫和绷带的基质中排出空气,从而可以吸收药物溶液以施用于身体的各个部位。它们还通过在清洗伤口时使用清洁剂以及通过在皮肤和粘膜表面使用药用洗剂喷雾剂来取代污垢和碎屑。

生物化学和生物技术中的洗涤剂

在溶液中,去污剂通过解离聚集体和展开蛋白质来帮助溶解多种化学物质。生化实验室常用的表面活性剂是月桂硫酸钠(SDS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。去污剂是通过裂解细胞和组织来提取蛋白质的关键试剂:它们会破坏膜的脂质双层(SDS、TritonX-100、X-114、CHAPS、DOC和NP-40)并溶解蛋白质。较温和的去污剂,例如辛基硫代葡萄糖苷、辛基葡萄糖苷或十二烷基麦芽糖苷用于溶解膜蛋白,例如酶和受体,而不会使它们变性。通过离心或其他方式收获未溶解的材料。例如,对于电泳而言,蛋白质通常用SDS处理,以使天然的三级和四级结构变性,从而根据蛋白质的分子量分离蛋白质。

去污剂也被用来使器官脱细胞。这个过程维持了一个蛋白质基质,它保留了器官的结构,通常还有微血管网络。该过程已成功地用于制备器官,例如用于大鼠移植的肝脏和心脏。肺表面活性剂也由哺乳动物肺泡的II型细胞自然分泌

量子点制备

表面活性剂与量子点一起使用,以控制量子点的生长、组装和电学特性,以及介导其表面的反应。关于表面活性剂如何排列在量子点表面上的研究正在进行中。

基于液滴的微流体中的表面活性剂

表面活性剂在基于液滴的微流体中在稳定液滴和防止液滴在孵育过程中融合方面发挥着重要作用。

表面活性剂的分类

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许多重要的表面活性剂包括以高极性阴离子基团终止的聚醚链。聚醚基团通常包含插入的乙氧基化(聚环氧乙烷类)序列以增加表面活性剂的亲水特性。相反,可以插入聚环氧丙烷以增加表面活性剂的亲油性。

表面活性剂分子要么有一条尾巴,要么有两条;有两条尾巴的被称为双链。

表面活性剂按其头部成分分类:非离子型、阴离子型、阳离子型、两性型。

最常见的是,表面活性剂根据极性头基进行分类。非离子表面活性剂的头部没有带电基团。离子表面活性剂的头部带有净正电荷或负电荷。如果电荷为负,则更具体地称为阴离子表面活性剂;如果电荷为正,则称为阳离子。如果表面活性剂包含一个带有两个带相反电荷的基团的头部,则称为两性离子。

阴离子表面活性剂在其头部含有阴离子官能团,例如硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐和羧酸盐。主要的烷基硫酸盐包括月桂基硫酸铵、月桂基酸钠(十二烷基硫酸钠、SLS或SDS),以及相关的烷基醚硫酸盐月桂基醚硫酸钠(月桂基醚硫酸钠或SLES)和肉豆蔻硫酸钠。

其他包括:

  • 多库酯(二辛基磺基琥珀酸钠)
  • 全氟辛烷磺酸(PFOS)
  • 全氟丁磺酸盐
  • 烷基芳基醚磷酸酯
  • 烷基醚磷酸酯

羧酸盐是最常见的表面活性剂,包括羧酸盐(肥皂),例如硬脂酸钠。更专业种类包括月桂酰肌氨酸钠和基于羧酸盐的含氟表面活性剂,例如全氟壬酸酯、全氟辛酸酯(PFOA或PFO)。

阳离子头组

xxx带电的季铵盐:西曲溴铵(CTAB)、十六烷基氯化吡啶(CPC)、苯扎氯铵(BAC)、苄索氯铵(BZT)、二甲基二十八烷基氯化铵和二十八烷基二甲基溴化铵(DODAB)。

表面活性剂

两性离子表面活性剂

两性离子(两性)表面活性剂在同一分子上同时具有阳离子和阴离子中心。阳离子部分基于伯胺、仲胺或叔胺或季铵阳离子。阴离子部分可以更加可变并且包括磺酸盐,如在磺基甜菜碱CHAPS(3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基铵]-1-丙磺酸盐)和油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱中。甜菜碱如椰油酰胺丙基甜菜碱具有与铵的羧酸盐。最常见的生物两性离子表面活性剂具有带有胺或铵的磷酸根阴离子,例如磷脂磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱和鞘磷脂。

月桂基二甲胺氧化物和肉豆蔻胺氧化物是两种常用的叔胺氧化物结构类型的两性离子表面活性剂。

非离子

非离子表面活性剂具有共价键合的含氧亲水基团,这些亲水基团键合到疏水母体结构上。氧基团的水溶性是氢键合的结果。键随温度升高而降低,因此非离子表面活性剂的水溶性随温度升高而降低。

非离子表面活性剂对水硬度的敏感性低于阴离子表面活性剂,并且它们的泡沫不太强烈。各个类型的非离子表面活性剂之间的差异很小,选择主要取决于特殊性能的成本(例如,有效性和效率、毒性、皮肤病相容性、生物降解性)或在食品中使用的许可。

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词条目录
  1. 什么是表面活性剂
  2. 表面活性剂的组成和结构
  3. 水中表面活性剂相的结构
  4. 界面表面活性剂的动力学
  5. 界面和表面活性剂层的表征
  6. 在生物学
  7. 安全和环境风险
  8. 生物降解
  9. 表面活性剂的应用
  10. 生物化学和生物技术中的洗涤剂
  11. 量子点制备
  12. 基于液滴的微流体中的表面活性剂
  13. 表面活性剂的分类
  14. 阳离子头组
  15. 两性离子表面活性剂
  16. 非离子

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