精细化工中表面活性剂的分子结构与应用性能研究

那宏壮

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020）

表面活性剂是一种具有固定亲水亲油基团的物质，由于这种物质能够在溶液表面自动定向排列，因此，在将其加入到溶液中后，往往会使溶液体系的界面状态发生明显变化，并为新材料制备、农药与医药生产、纺织工业、污水处理等诸多行业领域的发展提供重要帮助。从目前来看，由于表面活性剂的种类非常之多，因此，可溶于水，且能够显著降低水表面能的物质，都被统称为表面活性剂，这其中包括磷脂、胆碱、蛋白质等天然表面活性剂，也包括直链烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、烷基聚醚等合成表面活性剂，而根据极性基团解离性质的不同，还可分为非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂等几大类，为具体应用多种功能[1]。

1 精细化工中表面活性剂的分子结构

1.1 表面活性剂的分子结构特点

从分子结构上来看，表面活性剂分子通常都是由非极性烃链（8个碳原子以上）及两个或更多的极性基团组成，由于分子中的基团性质完全不同，因此，根据性质上的差异，基团一般会被分为两种，其一是长链的碳氢化合物或有机氟、有机硅、有机磷、有机锡链等，具有着能溶于油但不能溶于水的特点，因此，被称为疏水基团（憎水基）或亲油端、有机端，而另一端则为水溶性集团，具有着能溶于水而不溶于油的特点，被称为亲水基团、亲水端、离子端。由于表面活性剂具有着两亲性性质（既能溶于水，也能溶于油），因此，只要将其放入水溶液中，构成表面活性剂分子的基团都会至少融入液相中的其中一相，并以胶束团的形式存在于水溶液之中，这时表面积活性分子的亲油端会指向中心，而亲水端则会指向外部溶液，形成起到渗透、增溶、乳化、洗涤等多方面作用，这正是对表面活性剂应用价值的充分体现。

1.2 不同表面活性剂的分子结构差异

由于表面活性剂的功能与其分子结构间有着密不可分的关系，因此，各类表面活性剂不仅会在功能上存在一定差异，其分子结构也会体现出一定的不同，这一点主要体现在变化较多的亲水基上。例如，阴离子表面活性剂的亲水基团通常为带负电的原子团，比较常见的有羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐（包括芳基）、磷酸酯盐、脂肪酰-肽缩合物等等，可作为乳化剂、洗涤剂、发泡剂、湿润剂等。阳离子表面活性剂的亲水基团则为带正电的原子团，常见的有季铵盐咪唑啉、吗啉胍类、三嗪类等等，这类表面活性剂并不具备阴离子表面活性剂的去污能力，但却可以作为消毒剂、乳化剂、抗静电剂、杀菌剂、防霉剂等使用。两性离子表面活性剂的亲水基团由阴离子与阳离子共同组成，即同时存在酸性基与碱性基，其表面活性会受到溶液酸碱性质的影响，一般来说，当两性离子表面活性剂被放入碱性溶液中时，分子会呈阴离子表面活性，反之如与酸性溶液接触，则会呈阳离子表面活性，在中性溶液中，还会呈非离子表面活性。从目前来看，较为常见的两性表面活性剂主要有卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱型等，与其他类型的表面活性剂相比，这类表面活性剂具有着杀菌性、抑霉性、乳化性、分散性以及对织物的柔软平滑性和抗静电性，因此，常被作为织物整理助剂、染色助剂、钙皂分散剂、干洗剂、金属缓蚀剂使用[2]。

2 精细化工中表面活性剂的应用性能分析

2.1 增溶作用

表面活性剂的增溶作用主要取决于其临界胶束浓度情况，临界胶束浓度是指表面活性剂分子在被放入水溶液后，凝合形成胶束团的最低浓度，当表面活性剂分子在水溶液中胶束浓度超过了这一最低浓度标准，表面活性剂分子就会以各种形状进行排列组合，在水中形成团状、层状、棒状等各种形态的胶束，由于这些胶束尾部会形成可包裹油滴的核，因此水溶液的表面张力会大大降低，而各种油性物质也会在这样的水溶液中逐渐溶解。

2.2 润湿作用

润湿作用是指表面活性剂能够对液体、固体之间的湿润程度进行有效控制，这主要是由于表面活性剂分子中的极性基团具有着两亲性，在与固体接触并附着在固体表面后，具有低表面特性的碳氢基团会裸露在外，并改变固体的湿润性，使其湿润性能大大增加。另外，由于表面活性剂可以有效降低水溶液的表面张力，因此，在液体表面收缩力下降的情况下，能够从固体表面有效渗透到固体内部，而与之接触的固体润湿性能也会得到较大的提升。当然，并非所有表面活性剂具有着润湿作用，有些类型的表面活性剂，由于内部分子结构比较特殊，因此，其应用性能并不能够体现在润湿作用上，例如，阳离子表面活性剂的亲水基中存在正电荷，而固体表面则通常会存在负电荷，如果将固体放入到存在阳离子表面活性剂的水溶液中，那么热固体表面的负电荷就会与表面活性剂中的正电荷互相吸附，并形成一层包裹在固体表面的亲油基，这不仅不会对固体起到润湿作用，甚至还会对液体向固体的渗透起到阻碍。

2.3 乳化作用

乳化作用可以简单理解为对两种原本互不相溶的液体进行调和，使其能够形成稳定的乳状液。一般来说，如不同液体间存在着互不相溶的关系，那么单纯的搅拌根本无法改变混合液体的稳定性，要想解决这一问题，通常都需要加入乳化剂，而表面活性剂则正是最为常见的乳化剂之一，在表面活性剂作为第三组分溶液进入到混合溶液中后，由于其本身具有着两亲性的特点，既能够溶于水也可以溶于油，因此，其中一种溶液就会在与表面活性剂相融合后逐渐分散，最终完全分散到另一种溶液之中，例如在油与水的乳化形式中，无论是水包油还是油包水，都是按照这一方式形成乳化液的[3]。

2.4 起泡与破泡作用

在各种水溶液中，之所以会出现各种各样的泡沫，主要是由于气体从液面下方进入到了液体之中，使液体发生了膨胀，在膨胀过程中，气体周围的液体会随着膨胀而逐渐成为液膜，将气体包裹起来，最终形成气泡，而从这一原理来看，表面活性剂同样也有着促使水溶液形成气泡的作用。在表面活性剂融入水溶液中后，由于表面活性剂分子中的疏水基不溶于水，因此会逐渐伸向气体中的空气，而亲水基凭借着其亲水的特性，则会伸向液相的吸附膜，这样一来，随着表面活性剂的加入，水溶液中的气泡会变得越来越多，并逐渐上浮到水溶液表面，如气泡内的空气过多，甚至还会也出液面形成双分子薄膜，而这正是表面活性剂气泡作用的充分体现。当然，由于水溶液气泡的形成与水溶液表面张力有关，因此，在气泡大量形成后，如果加入表面活性剂使水溶液液面的部分区域表面张力下降，那么在表面张力存在差异的情况下，泡沫液膜就会迅速变薄，最终在达到破裂点后发生破裂。由此可见，表面活性剂也同样具有着破泡作用。

2.5 洗涤作用

洗涤是指将污物从固体表面去除掉，而表面活性剂之所以能够将污物从固体表面去除的洗涤作用，则是受到了其润湿、渗透、乳化、分散等多方面功能作用的综合影响。首先，在衣物等各类固体沾染污物后，如果能将其放入含有表面活性剂的洗涤剂溶液中，那么在碳氢基团的影响下，固体润湿性能会大大提升，溶液则会在固体被润湿后逐渐渗透到固体内部，这样一来，即便是油脂、血液等污物同样渗透到固体内部，也能够与洗涤剂溶液充分接触，从而为污物的彻底清除创造良好条件[4]。其次，在洗涤剂溶液与污物接触并使其从固体上脱落后，脱落后的污物则会受其表面活性剂的乳化作用影响，逐渐分解并溶于溶液之中，这样只需用清水将固体上带有的表面活性剂溶液清洗干净，就可以将原本存在于固体上的污物清洗干净，达到良好的洗涤效果。最后，由于不同表面活性剂的功能不同，因此，在实际应用中，不同固体洗涤所用的表面活性剂也会存在较大差异，例如，对于一些染上皮脂污垢的衣物，可利用以非离子表面活性剂为主的液体洗涤剂，而如需要对蔬菜、水果等东西进行洗涤，则需要利用由非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂配合的厨房用洗涤剂，以避免出现毒性残留、食物色香味被破坏、皮肤损伤等问题。

3 表面活性剂的实际应用

3.1 表面活性剂在农业领域的应用

表面活性剂在农业生产中的应用主要体现在农药配置与废物好氧堆肥两方面。在农业配置过程中，由于可湿性粉剂等很多化学农药的原药含有大量有机化合物，而有机化合物又具有着不溶于水的特点，因此要想让农药融入到水溶液中，就必须要添加表面活性剂来降低水溶液的表面张力，使水溶液中能够渗入到固体药粒之中，最终使药粒逐渐溶解为液体药剂。另外为提高部分药剂的附着性与沉积量，使其能够在喷洒后更好的扩散、释放，同样也会在药剂中添加适量的表面活性剂。而在废物好氧堆肥中的，表面活性剂则主要其生物降解作用，在好氧堆肥过程中，好氧菌虽然能够对废物进行吸收、氧化、分解，并将有机物转化为简单的无机物，但由于纤维素类废物比较难降解，因此，如废物中的纤维素类物质较多，那么就需要添加表面活性剂，利用其乳化、分散作用来加快这类物质的生物降解速度，从而缩短好氧堆肥的时间，实现堆肥效果的提升。另外由于废物能够完全被微生物降解，因此，添加表面活性剂后还可以省略好氧堆肥中的后续处理环节，消除产物还田所带来的的安全隐患[5]。

3.2 表面活性剂在皮革生产中的应用

表面活性剂在皮革生产中的应用十分普遍，其在实际应用所发挥出的作用也同样是非常多样的。例如，在对原皮进行加工之前，通常都需要用表面活性剂（浸水助剂）来清洗原皮，在清洗过程中，由于表面活性剂本身具有良好的润湿作用，因此，能够将原皮上的各种污物、防腐处理残留清除干净，使原皮达到最接近鲜皮的状态，这时再对皮革进行加工，就可以使皮革制品的质量大大提升。而在原皮加工过程中，由于皮革本身的柔软程度与油脂有关，而油脂又很难渗入到深层皮纤维之中，因此加工人员常常会加入表面活性剂（加脂剂）对皮革进行处理，皮革在与表面活性剂相接触后，其表面的油脂会在表面活性剂的乳化作用下乳化，并随着表面活性剂渗入到深层皮纤维之中，让皮革变得更加柔软。

4 结语

总而言之，表面活性剂作为当前精细化学品中最为常见的一种，其不仅具有着种类众多的特点，同时还能在洗涤、农药加工、化妆品加工等诸多领域中发挥出非常重要的作用。但从目前的实际应用情况来看，要想使表面活性剂得到更好的应用，未来还需对各类表面活性剂的分子结构进行熟悉，并深入了解其在渗透润湿、起泡破泡、乳化、洗涤等方面的应用性能。