表面活性剂的概念

表面活性剂分子结构的两亲性和HLB值

表面活性剂的分类

润湿剂、分散剂和偶联剂的共性和区别

表面活性：甲物质的加入能降低乙液体的表面张力，则称甲对乙有表面活性。溶质使溶剂表面张力降低的性质称之为表面活性。

表面活性剂：表面活性剂（surface active agent，SAA，surfactant）又称界面活性剂，是能使两种液体间、液体―气体间、液体―固体间的表面张力（surface tension）或界面张力（interfacial tension）显著降低的物质。

表面活性剂在铸造涂料（主要是水基涂料）中应用广泛。狭义来讲，凡是能够显著降低水或溶剂表面张力的物质均属于表面活性剂。有些人在习惯上把润湿剂或渗透剂称为表面活性剂，而把具有其它功能的表面活性剂按照其不同的功能分别称呼，如分散剂、偶联剂、乳化剂、消泡剂等。尽管名称和作用有所不同，但这些助剂在作用原理和分子结构上都具有“两亲性”的共性。

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一，表面活性剂分子结构的两亲性和HLB值

分子结构的两亲性是指分子结构中含有两种不同的基团，一个基团是亲无机物的（强极性），另一个是亲有机物的（极性小或非极性的）。亲无机物的基团，一般为亲水基团，又称为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团；而亲有机物的基团一般为疏水基团，常为非极性链烃和芳香烃。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接，形成了一种不对称的、极性的结构，因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油，但又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”（amphiphilic structure），表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”。

依靠两亲性，通过分子中不同部分分别对于两相的亲和，使两相均将其看作本相的成分，分子排列在两相之间，使两相的表面相当于转入分子内部，从而降低表面张力。由于两相都将其看作本相的一个组分，就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面，通过这种方式部分消灭了两个相的界面，就降低了表面张力和表面自由能，使两种性质上相差很大的物质变得相溶，起到融合或桥接的作用。

亲油基团是具有易于在油中溶化的性质的原子集合体，和油一样具有排斥水的性质，因此又称为疏水基。常见的亲油基主要有下面几种：

(1) 阴离子表面活性剂中的极性亲水基团：羧酸基 COO⁻；磺酸根 SO₃⁻；硫酸根 OSO₃⁻；磷酸根 OPO₂⁻³ 等。

(2) 阳离子表面活性剂中的极性亲水基团：伯氨基 NH₃·H⁺；叔氨基 (CH₃)₂N·H⁺；仲氨基 CH₃NH·H⁺；季铵基 (CH₃)₃N⁺ 等。

(3) 两性表面活性剂中的极性亲水基团：氨基羧基 N⁺H(CH₂)₂COO⁻；内铵基羧基 N⁺(CH₃)₂CH₂COO⁻ 等。

(4) 非离子型表面活性剂中的极性亲水基团：聚乙二醇型中的醚基 —O— 和羟基 —OH；多元醇型中的羟基 —OH 等。

HLB值

表面活性剂要呈现特有的界面活性，必须使疏水基和亲水基之间有一定的平衡。亲水亲油平衡值（Hydrophile-Lipophile Balance），简称HLB值，表示表面活性剂的亲水疏水性能，如石蜡HLB值=0（无亲水基），聚乙二醇HLB值=20（完全亲水）。对阴离子表面活性剂，可通过乳化标准油来确定HLB值。HLB值可作为选用表面活性剂的参考依据。

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二，表面活性剂的分类：

表面活性剂的分类方法很多，根据疏水基结构进行分类，分直链、支链、芳香链、含氟长链等；根据亲水基进行分类，分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等；有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等，还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。但是众多分类方法都有其局限性，很难将表面活性剂合适定位并在概念内涵上不发生重叠。

人们一般都认为按照它的化学结构来分比较合适。即当表面活性剂溶解于水后，根据是否生成离子，分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。其中离子型的又根据其离子电性分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。

按其产量排序分别为：阴离子占56%，非离子占36%，两性离子占5%，阳离子占3%。

1，阴离子表面活性剂：

从结构上把阴离子表面活性剂分为羧酸盐或脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐四大类。

a, 羧酸盐或脂肪酸盐：

是亲水基为羧基的阴离子表面活性剂，包括高级脂肪酸的钾、钠、铵盐以及三乙醇铵盐。在水中电离后起表面活性作用的部分是脂肪酸根阴离子。如：

RCOONa ——>RCOO⁻+ Na⁺

脂肪酸盐表面活性剂是历史上开发最早的阴离子表面活性剂，也是重要的洗涤剂，仍是皮肤清洁剂的重要品种。

b, 磺酸盐：

把在水中电离后生成起表面活性作用阴离子为磺酸根(R--S03）者称为磺酸盐型阴离子表面活性剂，包括烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基磺酸盐、α-磺基单羧酸酯、脂肪酸磺烷基酯、琥珀酸酯磺酸盐、烷基萘磺酸盐、石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基甘油醚磺酸盐等多种类型。

烷基苯磺酸盐是阴离子表面活性剂中最重要的一种品种，也是中国合成洗涤剂的主要活性成分。烷基苯磺酸钠去污力强、起泡力和泡沫稳定性以及化学稳定性好、而且原料来源充足、生产成本低，在民用和工业用清洗剂中有着广泛的用途。

AerosolOT（渗透剂OT），化学名称为琥珀酸二异辛酯磺酸钠，是最早问世的一种琥珀酸双酯磺酸盐，是优良的工业用润湿剂渗透剂。它是由脂肪醇聚氧乙烯醚和脂肪酸单乙醇酰胺与马来酸酐生成的单酯经磺化得到的产品。它性能温和，对皮肤、眼睛刺激性低，泡沫性优良，在个人保护用品中应用日益广泛。因原料充分、生产成本低并不产生三废，近年来得到很大发展，是一种优质的水基涂料渗透剂

烷基萘磺酸盐的甲醛缩合物，商品名称为分散剂NNO，化学式为C₁₁H₉NaO₄S，化学名称是亚甲基双萘磺酸钠，亚甲基二萘磺酸钠，萘磺酸盐甲醛缩合物，分散剂NNO，2-萘磺酸。易溶于任何硬度的水中，具有优良扩散性和保护胶体性能，无渗透起泡等表面活性。

分散剂NNO主要用于分散染料、还原染料、活性染料、酸性染料及皮革染料中作分散剂，磨效、增溶性、分散性优良；还可用于纺织印染、可湿性农药作分散剂，造纸用分散剂，电镀添加剂，水溶性涂料、颜料分散剂、水处理剂、炭黑分散剂等。

木质素磺酸盐：是造纸工业中亚硫酸法制浆过程中废水的主要化学成分，它的结构相当复杂，一般认为它是含有愈创木基丙基、紫丁香基丙基和对羟苯基丙基的多聚物磺酸盐，相对分子质量200～10000，是以非石油化学制造的表面活性剂中重要的一类。由于价格低，具有低泡性，主要用作固体分散剂、O/W型乳状液的乳化剂，染料、农药、水泥等悬浮液的分散剂，详见亚硫酸盐纸浆废液。

c, 硫酸酯盐

是一种二元酸与醇类发生酯化反应时可以生成硫酸单酯和硫酸双酯。硫酸单酯和碱中和生成的盐叫硫酸酯盐。它与磺酸盐结构的区别在于硫酸酯盐中的硫原子不与烃基中的碳原子直接相连。它们性质上的最大区别在于硫酸酯盐在酸性条件下可以发生水解

d, 磷酸酯盐

烷基磷酸酯盐包括烷基磷酸单、双酯盐，也包括脂肪醇聚氧乙烯醚的磷酸单双酯盐和烷基酚聚氧乙烯醚的磷酸单、双酯盐。常见的是烷基磷酸单、双酯盐。

2, 阳离子表面活性剂：

阳离子表面活性剂，起表面活性作用的是阳离子，因此称为阳性皂，为季铵化物。其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的杀菌作用。常用品种有苯扎氯铵（洁尔灭）和苯扎溴铵（新洁尔灭）等。

其分子结构主要部分是一个五价氮原子，所以也称为季铵化合物。其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性作用和杀菌作用。

阳离子表面活性剂主要是含氮的有机胺衍生物。

阳离子表面活性剂在工业上大量使用的历史不长，需求量逐年都在快速增长，但是由于它的主要用途是杀菌剂、纤维柔软剂和抗静电剂等特殊用途，因此与阴离子和非离子表面活性剂相比，使用量相对较少。

阳离子表面活性剂大多是有机氮化合物的衍生物，其正离子电荷由氮原子携带，也有一些新型阳离子表面活性剂的正离子电荷由磷、硫、碘和砷等原子携带。按照阳离子表面活性剂的化学结构，主要可分为胺盐型、季铵盐型、杂环型和啰盐型等四类。

A, 胺盐型

胺盐型阳离子表面活性剂是伯胺盐、仲胺盐和叔胺盐表面活性剂的总称。它们的性质极其相似，且很多产品是伯胺与仲胺的混合物。这类表面活性剂主要是脂肪胺与无机酸形成的盐，只溶于酸性溶液中。而在碱性条件下，胺盐容易与碱作用生成游离胺而使其溶解度降低，因此使用范围受到一定的限制。

B, 季铵盐型

季铵盐型阳离子表面活性剂是最为重要的阳离子表面活性剂品种，其性质和制法均与胺盐型不同。此类表面活性剂既可溶于酸性溶液，又可溶于碱性溶液，具有一系列优良的性质，而且与其他类型的表面活性剂相容性好，因此，使用范围比较广泛。

C, 杂环型

D, 啰盐型

阳离子表面活性剂具有良好的杀菌、柔软、抗静电、抗腐蚀等作用和一定的乳化、润湿性能，也常常用作相转移催化剂。但这类表面活性剂很少单独用作洗涤剂，因为很多基质的表面在水溶液中，特别是在碱性水溶液中通常带有负电荷，在应用过程中，带正电荷的表面活性剂会在基质表面形成亲水基向内、疏水基向外的排列，使基质表面疏水而不利于洗涤，甚至产生负面作用。此外，这类表面活性剂的主要应用领域也不像其他表面活性剂，用来降低表面张力，而是利用其结构上的特点，用于其他特殊方面。

3, 两性离子表面活性剂：卵磷脂，氨基酸型，甜菜碱型。

两性型表面活性剂是指同时具有两种离子性质的表面活性剂。然而通常所说的两面型表面活性剂，系指由阴离子和阳离子所组成的表面活性剂，即在亲水基一端有阳离子和阴离子，是二者结合在一起的表面活性剂,这类表面活性剂的分子结构中具有正、负离子基团，在不同pH值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。

这类表面活性剂，生产品种绝大部分是羧基盐类型。其中阴离子部分是羧酸基，阳离子部分由胺盐构成的叫氨基酸型两性表面活性剂，阳离子部分由季铵盐构成的叫甜菜碱型两性表面活性剂。

4, 非离子表面活性剂，非离子表面活性剂在水中不解离，亲水基团是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，亲油基团是长链脂肪酸或长链脂肪醇以及烷基或芳基等。  

非离子表面活性剂是分子中含有在水溶液中不离解的醚基为主要亲水基的表面活性剂，其表面活性由中性分子体现出来。非离子表面活性剂具有很高的表面活性，良好的增溶、洗涤、抗静电、钙皂分散等性能，刺激性小，还有优异的润湿和洗涤功能。可应用pH值范围比一般离子型表面活性剂更宽广，也可与其他离子型表面活性剂共同使用，在离子型表面活性剂中添加少量非离子表面活性剂，可使该体系的表面活性提高。

非离子表面活性剂的优点是：具有优异的润湿和洗涤功能，去污力强，还同时具有良好的乳化、渗透性能及起泡、稳泡、抗静电、杀菌等作用；稳定性高，在水溶液中不电离，并且不受强电解质、强酸、强碱的影响，也不受硬水中钙、镁离子的影响；与其他类型表面活性剂的相容性好，与阴离子和阳离子表面活性剂都可兼容；无毒、无刺激、生物降解性好，是新一代“绿色产品”。

非离子表面活性剂的缺点是：其通常都是低熔点的蜡状物或膏体，所以很难把它们复配成粉状。例如，当温度升高或增加电解质浓度时，聚氧乙烯醚链的溶剂化效应会下降，有时会不溶，产生沉淀。

由于非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，所以它的稳定性高，不易受强电解质存在的影响，也不易受酸、碱的影响，与其他类型表面活性剂能混合使用，相容性好，在各种溶剂中均有良好的溶解性，在固体表面上不发生强烈吸附。

非离子表面活性剂的常用产品有烷基葡糖苷（APG），脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温）。

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三，润湿剂和渗透剂、分散剂、偶联剂的共性与区别

润湿剂和渗透剂、分散剂、偶联剂在作用原理和分子结构上基本一致，都是利用了表面活性剂分子结构上的双亲特性，降低了表面张力和界面自由能。但是它们彼此之间在分子类型和所起的作用上并非完全一致。

润湿剂和渗透剂：

润湿作用和渗透作用无本质上的区别，前者作用在物体的表面，而后者作用在物体的内部，二者可使用相同的表面活性剂，因而润湿剂也可称为渗透剂。

润湿剂属于表面活性剂，都由亲水基及亲油基组成。当与固体表面接触时，亲油基附着于固体表面，亲水基向外伸向液体中，降低其表面能，能使固体物料更易被水浸湿,使液体在固体表面形成连续相，这就是润湿作用的基本原理。

渗透剂是作用于孔性固体表面的表面活性剂，借助于表面活性剂分子的双亲结构，润湿固体颗粒与液态之间的界面，使液相迅速在此固液表面铺开，并借助于毛细管作用而进入颗粒间空隙，把空气取代出去，使液体渗入孔性固体表面。渗透剂还可以加大渗透的速度和深度。

润湿剂的作用实质是加速液固界面接触和增加接触面积；渗透剂的作用则是增加和促进液体进入固体内部。水基涂料中添加的表面活性剂往往同时具有润湿和渗透性能，很难严格区别为哪些是润湿剂，哪些是渗透剂，只不过是他们在不同的条件下可能发挥不同的主导作用。

润湿剂和分散剂的区别

分散剂（Dispersant）是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的表面活性剂。可均一分散那些难于溶解于液体的无机、有机固体颗粒以及液体，同时也能防止颗粒的沉降和凝聚。

润湿剂和分散剂的作用不同。以涂料生产为例：润湿通常是指液体在固体表面上的铺展，润湿涉及到的是填料粒子表面的空气被水取代，使填料粒子迅速进入水相中，这是个短暂的过程；而分散是指填料粒子相互游离的机械过程，在涂料生产中，是指进入水相体系后的填料粒子在水相中稳定地以小颗粒形式存在，均匀分布，而不再重新聚集，这是个较长时间的过程。

润湿剂和分散剂的分子结构也有所不同。润湿剂分子量较小，小的分子量使其更容易迁移，更有效降低颜料的表面张力。分散剂分子量较大，大的分子量才能提供更好的空间位阻效应，防止颗粒絮凝，使分散体系处于稳定状态。

作用机理不同：

1，分散剂吸附于固体颗粒的表面，使凝聚的固体颗粒表面易于湿润。

2，分散剂使固体粒子表面形成双分子层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲合力,增加了固体粒子被水润湿的程度.固体颗粒之间因静电斥力而远离。

3，高分子型的分散剂，在固体颗粒的表面形成吸附层，使固体颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒的反作用力

润湿剂与偶联剂的区别

偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而大大提高复合材料的性能，如物理性能、电性能、热性能、光性能等。

偶联剂和润湿剂在分子结构和应用性能方面有些相似，但也有差别。二者都是由亲水和疏水两种基团组成。但润湿剂通过分子中亲水基团定向吸附在表面形成单分子层，这是一种物理吸附现象，没有化学反应。偶联剂是通过化学反应在界面进行偶联结合，把两种不同性质的物质结合起来，起桥梁作用，从结合强度，分散效果以及降低界面自由能的幅度，偶联剂都大大胜过润湿剂。

因此，偶联剂和表面活性剂的区别是偶联剂是分子两头有两种活性基团，这两种活性基团能和两种不相容的物质反应，而表面活性剂的两种基团没有化学反应。