当前课程知识点:精细化学品生产工艺学 > 第三章 表面活性剂 > 3.1 表面活性剂概述 > 讲义 3.1
3.1 表面活性剂概述
0 序
表面活性剂surfactant是课程设置的第一种精细化学品,是因为它非常重要,来看两位科学家对它的一个评价:第一位是德纳然,1991年的诺贝尔物理奖得主,他表示:“没有了表面活性剂,我们对于工业上90%的问题都无能为力”。这说明了什么?一是表面活性剂在工业当中的应用非常广泛,它覆盖了工业当中基本90%的问题,二是,表面活性剂在工业中非常重要,它可以解决工业当中出现的问题。第二位是英国著名的界面化学家Ckint,他对表面活性剂的评价呐,表达的比较长,我们先来看第一句话:“冰淇淋是我们最喜爱的食物;有了洗涤剂,我们的生活才能如此美好;若没有表面活性剂,这两样东西都不会有,这真是太可悲了。”从这句话我们可以看出来啊,我们生活中的食品冰淇淋、日用品洗涤剂,他们的成分中都含有表面活性剂,而且表面活性剂起着关键的作用,也说明了,表面活性剂可以使我们的生活更美好。接着看Ckint对表面活性剂的评价:“但是,如果真的没有了表面活性剂,也不会有人为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣,因为没有了表面活性剂,人也没有了。”看到最后一句话,大家可能有点惊讶,甚至感觉有点可怕,表面活性剂竟然能够影响到人生命的存在。
从上面两位科学家对表面活性剂的评价,我们可以看出来,表面活性剂非常重要,重要到我们的工业、我们的美好生活,甚至我们的生命,都离不开它!
所以,表面活性剂这一章也是我们这门课里面很重要的一章,内容主要包括四部分,表面活性剂的概述、基础知识、以林产资源松香为原料合成表面活性剂以及目前常用的表面活性剂产品。这一本章涉及到的理论知识比较深,应用面广,所选产品不仅包括代表性的林产品,还包括大众的工业化产品。
这一章的重点是第二部分表面活性剂的基础知识和第三部分松香合成表面活性剂,其中表面活性剂性质和松香原料的预处理,也就是制备歧化松香和歧化松香胺,是这一章的两个难点。
1 应用领域
表面活性剂得重要性凸现在其应用性, 表面活性剂应用最广的便是洗涤领域,我们日常所用的洗涤剂,例如固体的洗衣粉、液体的洗洁精、半固态的洗发膏,它们的活性成分啊,都是表面活性剂;工业上所用的金属设备清洗剂,活性成分也是表面活性剂,这两大类洗涤用的表面活性剂的不同在于,我们人类所用的表面活性剂需要条件温和,对人体不刺激;而工业所用表面活性剂则需要更强的去污能力。
英国界面科学家Ckint在对表面活性剂的评价中,告诉我们,表面活性剂可以使我们的生活更美好,而对于女生来说,美好生活离不开美,提到美我们也就想到化妆品,可以说在任何一种化妆品中,都可以找到表面活性剂的身影,洗面奶和带有清洁效果的面膜中,含有去污、起泡等作用的表面活性剂;保湿水和精华液中,含有润湿作用的表面活性剂;乳液、面霜、隔离霜、遮瑕膏和粉底液这些乳状或者膏状产品,是经过表面活性剂的乳化作用制成的;彩妆要想有更好的上妆和持久效果,则需要加入分散和润湿作用的表面活性剂。
美好生活还离不开食物,我们的食物多是由油和水两大类不相溶解的材质组成,而能够把油水两类不同材质混合均匀的,便是表面活性剂中的乳化剂,有了乳化剂,我们才能吃到美味的冰淇淋、奶油和糖果等食品。
表面活性剂除了在日常的洗涤、化妆品和食品应用外,更重要的是,还可以解决工业上90%的问题。
比如在纺织行业当中,纺织浆料容易产生泡沫,为保证生产的安全,必须加入消泡剂进行消泡;另外,要想染料染色的比较均匀,颜色比较艳丽,需要加入分散剂和固色剂。纺织行业中所用的消泡剂、分散剂和固色剂都是表面活性剂。
在石油行业的三次采油当中,加入表面活性剂,可以降低油水界面的张力,将石油、泥沙和水混合在一起形成的油水乳液破乳,使石油从混合物中剥离出来,原油的采收率可从二次采油的50%左右提高到80%~90%。
在农药中也会用到表面活性剂,比如要增加油溶性药物的溶解度,需要加入增溶剂;要提高药物在植物叶面的润湿铺展作用,需要加入润湿剂。
以上我们所讲的表面活性剂的应用,主要集中在传统工业领域当中,例如洗涤、化妆品、食品、印染、石油和农药;
而随着电子科技产品的开发,表面活性剂的应用还逐步扩展到半导体、电子材料等高新技术领域中。例如,在芯片光刻工艺中,为了保持光刻图形不变形和腐蚀图形的整齐划一,需要用表面活性剂来改善效果;在切片工艺当中,为减少摩擦作用,要加入具有润滑作用的表面活性剂,来降低能耗和材料的磨损。
从表面活性剂的应用,我们不难发现,在大部分领域,表面活性剂都是作为助剂使用的,它的用量非常小,但作用效果显著,因而,被称为工业味精。
2 发展过程
表面活性剂的不但应用广泛,使用历史也非常悠久。
据史料记载,大约在公元前2500年,人们便将一份油和五份碱性植物灰混合制成清洁剂,这就是早期的肥皂,也是人类使用最早的表面活性剂之一。
在欧洲,有很多肥皂的传说。一是罗马的高卢人,每当庆祝节日时,他们便将羊油和山毛榉树的树灰混合在一起,搅拌成粘稠的糊状,涂在头发上,这样可以把头发梳成各种发型。然而,在一次庆祝节日的过程中,突降大雨,他们的头发淋湿了,发型也被破坏了,但他们却意外地发现,头发变干净了。
另一个传说便是,罗马人在祭神的时候,会烧烤牛羊,牛羊油滴落在草灰里,形成了“油脂球”,而在洗衣服的时候发现,沾了油脂球的衣服更容易洗干净。
这两个传说中,动物的油和草木灰混合形成的便是肥皂,这也就开启了肥皂的手工制作。
到了19世纪中叶,肥皂才开始实现工业化的大生产;
但肥皂是碱性的,对皮肤有一定的刺激性,而且它不耐硬水。
为了克服肥皂的以上缺陷,人们合成了第一个磺化的表面活性剂,即土耳其红油,是将蓖麻油,也就是蓖麻油酸的三甘油酯,与硫酸发生磺化反应得到的产物。
但,到了1916年,德国禁止使用食用油制造肥皂类的产品;
于是在1917年,德国BASF公司的居恩持尔博士,完全不用油脂,而是利用从煤焦油中提取的化合物-丁基萘,制造出异丙基萘磺酸钠,也就是我们说所说的商品Nekal-A,它是一种优异的沥青乳化剂,但由于烷基链比较短,只含有4个碳的丁烷基,去污能力差,不能用做洗涤产品。
直到1941年,美国才合成出理想的洗涤用表面活性剂,烷基磺酸钠,烷基磺酸钠即克服了肥皂的缺陷,又具有C12到18等长的烷基链,是一类优异的洗涤用表面活性剂。
进入20世纪,人们对环保安全要求提高,开始发展烷基葡萄糖苷非离子表面活性剂,这类表面活性剂可生物降解,同时在水中不解离出离子,与其他表面活性剂的配伍性能也非常优异。
当今,全世界表面活性剂的产量已超过1500万吨,品种逾万种。而我国的表面活性剂和合成洗涤剂工业,起步相对较晚,起始于20世纪50年代,但发展非常迅速,1995年,我国洗涤用品的总量,已达到310万吨,仅次于美国,排名世界第二位。
3 发展趋势
随着人类生活水平和科技发展的不断进步,人们对表面活性剂的需求也逐渐提高。
首先,是对表面活性剂绿色化的一个需求,希望表面活性剂易被生物降解,对环境无污染,对人体安全温和;也就是希望表面活性剂的原料能够绿色化,例如以可再生天然资源如椰油、无患子等为原料制备表面活性剂或直接用来作为表面活性剂。
其次是功能性的需求,希望表面活性剂具有多功能或者特殊的功能,例如农药中所用表面活性剂即希望它可增溶,又希望它具有润湿铺展作用,也就是希望表面活性剂集多功能于一体,目前,农药中对表面活性剂的这种多功能需求是已经解决了。而对于出现的一些新的特殊功能,会难以有现有的表面活性产品可满足,那么,我们还可以通过优化复配技术,将几种表面活性剂复配来达到所需求的特殊功能的效果。
最后,随着新技术的快速发展,表面活性剂的应用领域将继续被拓展,特别是在高新技术领域中的应用。
-0 课程简介和参考资料
--参考书籍-1
--参考书籍-2
--参考书籍-3
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-1.1 精细化学品的定义和分类
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--辅助教学材料-皂荚果实、皂荚种仁、皂荚树培育区、挂果皂荚树
-1.5 拓展-访谈:精细化工中的法律知识
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-1.6 拓展-讲座 甘露聚糖胶研究与应用
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--讨论:琥珀与松香
-2.2 单元反应-卤化、磺化、羟基化和酰化反应
--讲义 2.2
--考核-习题 2.2
-2.3 单元反应-硝化与亚硝化、氨解、重氮化、烷基化与环化反应
--讲义 2.3
--考核-习题 2.3
-2.4 单元反应-氧化与还原、歧化及其它反应
--讲义 2.4
--考核-习题 2.4
-第二章 单元反应汇总
-作业:【北林混合式教学线上学习】第二章 笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(松香树脂酸反应汇总)
-3.1 表面活性剂概述
--讲义 3.1
--习题 3.1
-3.2-1 表面活性剂基础知识-概念
--讲义 3.2-1
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-3.2-2 表面活性剂基础知识-结构和分类
--讲义 3.2-2
--考核-习题 3.2-2
--讨论:使用氨基酸表面活性剂的洁面究竟对皮肤有什么好处呢?
-3.2-3 表面活性剂基础知识-表面张力
--讲义 3.2-3
--考核-习题 3.2-3
-3.2-4 表面活性剂基础知识-胶束化性质
--讲义 3.2-4
--考核-习题 3.2-4
-3.2-5 表面活性剂基础知识-CMC值测定方法
--讲义 3.2-5
--考核-习题 3.2-5
--期刊论文-滴体积法测定表面活性剂溶液临界胶束浓度的新方法
-3.2-6 表面活性剂基础知识-HLB值及其它性质
--讲义 3.2-6
--考核-习题 3.2-6
-3.2-7 表面活性剂基础知识-作用
--讲义 3.2-7
--考核-习题 3.2-7
-3.2-8 表面活性剂基础知识-影响表面活性剂性能的因素
--讲义 3.2-8
--习题 3.2-8
-3.3-1 松香合成表面活性剂-歧化松香
--讲义 3.3-1
--考核-习题 3.3-1
-3.3-2 松香合成表面活性剂-歧化松香胺
--讲义 3.3-2
--习题 3.3-2
-3.3-3 松香合成表面活性剂-松香基表面活性剂
--讲义 3.3-3
--习题:3.3-3
--参考文献:8分
-3.4 常用表面活性剂产品
--讲义 3.4
--习题:3.4
-3.5 拓展-实验:一滴洗洁精的魅力
--讲义 3.5
--习题 3.5
-第三章 表面活性剂汇总
-作业:【北林混合式教学线上学习】第三章 笔记-1
-作业:【北林混合式教学线上学习】第三章 笔记-2
-前三章知识点翻转课堂(含实验)
-作业:前三章讨论课总结(需上传)
-作业:梁希混合式第三章笔记
-4.1 胶粘剂概述
--讲义 4.1
--考核-习题 4.1
-4.2 植物单宁胶粘剂
--讲义 4.2
--考核-习题 4.2
-4.3 松香胶粘剂
--讲义 4.3
--习题 4.3
-4.4 拓展-访谈:软包装胶粘剂
--讲义 4.4
--习题 4.4
-第四章 胶粘剂笔记(北林林化17)
-5.1 食品添加剂概述
--讲义 5.1
--考核-习题 5.1
-5.2 食品抗氧化剂
--讲义 5.2
--考核-习题 5.2
-5.3-1 食用香料概述
--讲义 5.3-1
--习题 5.3-1
-5.3-2 食用香料-天然食用香料生产
--讲义 5.3-2
--考核-习题 5.3-2
-5.3-3 食用香料-香料单离技术
--讲义 5.3-3
--考核-习题 5.3-3
-5.3-4 食用香料-合成食用香料
--讲义 5.3-4
--习题 5.3-4
-5.3-5 实验:天然苯甲醛合成
-5.4 拓展-实验:糖尿病患者应该如何吃糖
--讲义 5.4
--习题 5.4
--讨论:甜味剂
-5.5 拓展-访谈:食品添加剂的安全问题
--讲义 5.5
--习题 5.5
-第五章 笔记
-6.1 医药制剂概述和银杏叶制剂
--讲义 6.1
--考核-习题 6.1
-6.2 松节油合成冰片
--讲义 6.2
--习题 6.2
-6.3 拓展-访谈:医改形式下的医药发展
--讲义 6.3
--习题 6.3
-6.4 拓展-讲座:松节油基萜类驱避剂与驱避机理的新认识
--讲义 6.4
-第六章 医药制剂笔记(北林林化17课程要求)
-7.1 造纸助剂概述
--讲义 7.1
--考核-习题 7.1
--讨论:对纸的认识
-7.2 造纸施胶剂概述
--讲义 7.2
--考核-习题 7.2
-7.3 强化松香施胶剂
--讲义 7.3
--习题 7.3
-7.4 纸张增强剂
--讲义 7.4
--考核-习题 7.4
-第七章 造纸助剂笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(4-7章内容)
-8.1 概述
--讲义 8.1
--考核-习题 8.1
-8.2 松香在涂料中应用
--讲义 8.2
--习题 8.2
-8.3 带锈涂料
--讲义 8.3
--考核-习题 8.3
--第八章 涂料笔记
-9.1-1 油墨概述
--讲义 9.1-1
--考核-习题 9.1-1
-9.1-2 油墨结构与生产过程
--讲义 9.1-2
--考核-习题 9.1-2
-9.1-3 松香在油墨中的应用
--讲义 9.1-3
--习题 9.1-3
-9.2 活性炭纤维
--讲义 9.2
--考核-习题 9.2
--第九章其它精细化学品笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(8-9章)
-10.1 碳和氢元素分析
--讲义 10.1
--考核-习题 10.1
-10.2 氮元素分析
--讲义 10.2
--考核-习题 10.2
-10.3 硫和卤素分析
--讲义 10.3
--考核-习题 10.3
-10.4 精细化工产品的仪器分析法
--讲义 10.4
--考核-习题 10.4
-第十章 精细化学品的分析检测 学习要点、结构导图及精华笔记
-第十章 精细化学品的分析笔记
-北林林化讨论课视频