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 > 3.2-7 表面活性剂基础知识-作用 > 讲义 3.2-7
3.2-7 表面活性剂性质的作用
1 乳化与破乳
我们在学习表面活性剂的胶束化性质中学到,表面活性剂在油水体系中,可以形成稳定的油包水和水包油的乳液,如图1,也就是乳状液,这便是通过表面活性剂的乳化作用,把油水乳化在一起。
图1 乳液形成
1-1 乳液结构
乳液是表面活性剂包了油或者水形成的小液滴,分散在另一个不相溶的液体当中,是一个粗分散体系。乳液是一个热力学不稳定体系,容易聚集,也是动力学不稳定的体系,液滴颗粒容易沉降或者漂浮。根据乳液液体颗粒的大小,可将乳液分为普通乳、亚纳米和纳米乳,颗粒大小分别在1到100毫米、100到500nm和1-100nm。普通乳为乳白色不透明液体,亚纳米乳为兰白色,而颗粒在50到100纳米的乳液为灰白色,50纳米以下颗粒的乳液呈透明。表面活性剂作为乳化剂制备乳液的作用原理是降低油水两相的表面张力和表面自由能。
乳化不同的油脂形成水包油的乳液,所需要的乳化剂HLB值不同,例如乳化油酸、硬脂酸所用的乳化剂HLB值要为17,而乳化蜂蜜和石蜡的乳化剂HLB值在九或十即可。
1-2 乳液制备方法
图2 油中乳化法
乳液的制备方法非常多。
第一种方法是油中乳化法,又称干胶法,如图2,是将油和乳化剂先混合均匀,再加入水,形成初乳,这个时候再稀释来形成乳液。这种方法适用于阿拉伯胶等油溶性比较好的表面活性剂作为乳化剂来制备乳液。
图3水中乳化法
第二种方法是水中乳化法,又称湿胶法。如图3,先将水和乳化剂混合,再加入油,经过搅拌形成初乳,继续进行稀释,得到水包油的乳液。
第三种方法称为混合法,如图4,是将水和油先混合,再加入表面活性剂,进行搅拌来形成初乳,进行稀释,最后得到乳液。
图4 混合法
第四种制备乳液的方法为新生皂法,即在反应开始,现在油水界面反应生成皂类,利用新生成的皂作为乳化剂进行乳化制备乳液。一般是在油相中含有少量的硬脂酸油酸等有机酸与水相中的碱,比如氢氧化钠、氢氧化钙或三乙醇胺发生皂化反应。新生皂法适用于乳膏剂类的制备,比如在水相中加入的碱,如果是氢氧化钙,会形成二价的皂,这时通常用在做油包水型的乳液中;对于在水相中含有氢氧化钠、氢氧化钾和三乙醇氨等碱,可以形成一价的皂,来用于制备水包油的乳液。
第五种制备乳液的方法叫两相交替法,即先加入乳化剂,在乳化剂中交替加入水和油进行搅拌,便可以形成乳剂。对于乳化剂为固体颗粒、天然胶类和用量比较多时,一般是用于该方法。
第六种方法是机械法,不考虑乳剂和水、油的加入顺序,直接快速搅拌来形成乳液的方法;
第七种是复合乳的制备方法,要经过两步。例如我们要得到,水包油包水型的复合乳,就先把水1、油和亲油性的乳液混合在一起,比如span系列,来制成油包水的一极乳,再将一极乳和水以及亲水性的乳化剂,比如tween系列,进行乳化来制备出水包油包水1的复合型乳液,结构如图5。
图5 复合乳剂
1-3 破乳作用
表面活性剂与乳化相反的一个作用就是破乳,破乳剂能够将乳液中的分散相和分散介质分开,例如在三次采油当中,我们加入破乳剂,将油和水分开,提高油的采收率。
2 润湿与疏水
表面活性剂的第二类作用是润湿与疏水作用,表面活性剂可以降低液体的表面张力,来改变液体与固体的接触角的大小,从而达到所需要的润湿和渗透作用。例如,农药需要润湿在带蜡质的植物叶面上,则需要在农药中加入表面活性剂,起到润湿作用。
另外在制备防水疏水材料时,需要在材料的表面涂一层憎水的表面活性剂,使液体与固体的接触角大于90度,起到防水作用。
3 起泡与消泡
图6 起泡示意图 图7 消泡示意图
表面活性剂的第三类作用是起泡与消泡的作用。泡是液体的薄膜,包围着气体来形成的这么一种物质。如图6,当表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜,再包围上空气,便可以形成泡沫,这种泡沫可以用于浮游选矿、泡沫灭火器和洗涤去污等,这种活性剂称为起泡剂。而在制糖和制中药的过程中,会产生非常多的泡沫,这个时候,我们要加入适当的表面活性剂来降低薄膜的强度,消除气泡,如图7,防止事故的发生,这里所用到的便是消泡剂。
4 洗涤作用
表面活性剂非常重要的一个作用便是洗涤作用,我们通过示意图8来看一下表面活性剂参与洗涤的过程。表面活性剂首先与油污接触,然后表面活性剂的亲油端融入油污中,表面活性剂会影响油污与固体组织间的接触角,最后通过机械力的作用,表面活性剂包覆着油污浸入到水中,也就是把油污变成了悬浮液洗去。
图8 洗涤示意图 图9 增溶作用
5 增溶作用
表面活性剂的第五个作用是增溶作用,增溶是指在CMC值以上的溶液当中,加入难溶于水的有机物,进入与他本身性质相同的胶束中,变成在热力学上稳定的各项同性的透明水溶液的现象。增溶有个指标是最大增溶浓度MAC,也就是当表面活性剂的用量为一克时,增溶有机物达到饱和时的浓度。
我们通过一个图来看一下增溶作用的机理,如图9,有机物主要溶解于胶束内部的亲油基团间,第二部分呢是有机物以分子的形式与胶束内的表面活性剂分子一起穿插排列而溶解,第三部分是有机物以吸附于胶束表面的形式而溶解,最后一部分是有机物被包含于非离子型表面活性剂胶束,如聚氧乙烯极性的外壳上,而溶解。温度对增容作用的影响比较大,因为温度会影响胶束的形成,影响增溶质的溶解度,还会影响表面活性剂的溶解度。
增溶在农药和医药当中的应用比较大,通常会用在一些挥发油溶性的维生素、激素等许多难溶性的药物中,通过形成透明的溶液来提高它的浓度。
6 浮选作用
表面活性剂的第六个作用是浮选作用,如图10,此时表面活性剂用作捕集剂,捕集剂可以吸附在矿粉的表面,亲水端朝向矿粉,亲油端朝向空气,与空气当中的气泡相接触,捕集剂的亲油端插入气泡内部,气泡把矿粉带走。
图10 浮选作用示意图
7其它作用
图11 模板作用
此外,表面活性剂还有去污、抗静电、杀菌等作用,表面活性剂也被用在开发新型功能性的纳米材料当中,主要是利用表面活性剂形成的胶束作为模板,制备功能性的无机纳米材料。例如langmuir期刊,2018年发表的一篇论文中,如图11所示,采用植三醇表面活性剂,在溶液当中可以自组装成球形胶束,浓度增大,形成六角向相胶束,将铂bo沉积在纳米胶束中形成铂纳米线,最后将胶束移除,便得到了铂纳米线。
-0 课程简介和参考资料
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-3.2-7 表面活性剂基础知识-作用
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-3.3-3 松香合成表面活性剂-松香基表面活性剂
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-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
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-4.2 植物单宁胶粘剂
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-4.3 松香胶粘剂
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-第四章 胶粘剂笔记(北林林化17)
-5.1 食品添加剂概述
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-5.2 食品抗氧化剂
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-5.3-4 食用香料-合成食用香料
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-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
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--讨论:甜味剂
-5.5 拓展-访谈:食品添加剂的安全问题
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--习题 5.5
-第五章 笔记
-6.1 医药制剂概述和银杏叶制剂
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-6.2 松节油合成冰片
--讲义 6.2
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-6.3 拓展-访谈:医改形式下的医药发展
--讲义 6.3
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-6.4 拓展-讲座:松节油基萜类驱避剂与驱避机理的新认识
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-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
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--讨论:对纸的认识
-7.2 造纸施胶剂概述
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-7.3 强化松香施胶剂
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--习题 7.3
-7.4 纸张增强剂
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--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