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表面活性剂的基本功能

2022-06-09 09:06:27

表面活性剂是一种两亲性分子,在水溶液中具有两种界面(表面)吸附功能。

首先,水的表面张力可以通过“正吸附”迅速降低,这反映了表面活性剂的润湿性和渗透性;

其次,“胶束化”可以在水中形成大量胶束,有效降低两相之间的界面张力,使液体、固体和气体能够稳定地存在于水中,体现出表面活性剂的乳化、分散、发泡、增溶等功能。洗涤功能是表面活性剂发挥润湿、乳化、分散、发泡、增溶等多种功能的综合过程。接下来,简要讨论了表面活性剂的润湿、乳化、分散、发泡、增溶、洗涤等作用原理及其反应原理。

(1) 湿润和渗透

剪一块灰布,轻轻地放在水面上。这块灰布会在水面上停留一段时间,然后慢慢沉到水底。如果在水中加入少量表面活性剂JFC,我们发现放置在水面上的灰布会立即沉入底部,这是测试表面活性剂润湿能力的常用方法。

一般来说,润湿是一个过程,其中一种流体被固体表面上的另一种流体所取代。因此,润湿至少涉及三个阶段,其中两个阶段是流体,一个阶段是固体。在染整加工中,纤维(固体)表面的气体(一种流体)被水(另一种流体)所取代。

纯水中灰布的润湿速度较慢,因为水的表面张力较大,不能在纤维表面迅速扩散,也不能迅速替代灰布中的空气;在水中加入表面活性剂后,水的表面张力明显降低,使水在纤维表面迅速扩散,迅速取代空气,从而加快了润湿过程。因此,能够使润湿过程快速发生的表面活性剂被称为润湿剂或渗透剂,而表面活性剂在该过程中的作用被称为润湿剂或渗透剂。

润湿和渗透之间没有本质区别。前者作用于固体表面,后者作用于固体内部。它们可以使用相同的表面活性剂,因此润湿剂也可以称为渗透剂。

表面活性剂之所以具有润湿性和渗透性,是因为它们可以显著降低水的表面张力。

与一般的固体平面不同,织物是一个多孔系统。许多不同尺寸的毛细管分布在纱线、纤维和纤维内部的微结构之间。因此,在染整过程中,织物的润湿性往往是通过毛细管效应来衡量的。

在染整工作液中加入少量润湿渗透剂后,可显著改善织物的毛细效应,保证染整过程的顺利进行。

对于用作润湿剂和渗透剂的表面活性剂,分子链长度和HLB值应适当。那些在疏水基团中含有支链的将显著改善其润湿性。亲水基团位于分子链中心的离子表面活性剂的润湿性较好。引入第二亲水基团后,表面活性剂的润湿性降低。聚氧乙烯非离子表面活性剂在高温下用作渗透剂时,应与阴离子表面活性剂共用,以提高其热稳定性。对于在强酸和强碱条件下使用的润湿剂和渗透剂,应充分考虑其化学稳定性,以避免分解失效。

染整加工中常用的润湿渗透剂有渗透剂JFC、渗透剂T、拉粉BX、渗透剂5881、丝光渗透剂MP等品牌。

(2) 乳化作用

两种不互溶的液体,其中一种以液滴的形式分散在另一相中。这种效应称为乳化。

乳化通常不是自动的或长久存在的。例如,如果油和水一起剧烈搅拌,虽然也会形成暂时乳化,但一旦搅拌停止,油和水将分为上层和下层。这是因为油和水之间存在很大的界面张力。油在搅拌作用下变成液滴后,油和水的接触面积将大大增加,表面能将迅速增加,并成为一个不稳定的系统,因此一旦搅拌停止,它将被分为两层,恢复到稳定状态,两相之间的接触面积Z小。如果在油水中加入一定量的表面活性剂,然后搅拌,由于表面活性剂在油水界面上具有定向吸附的能力,亲水基团延伸到水,疏水基团延伸到油,从而降低油水之间的界面张力,降低系统的界面能。

在降低界面张力的同时,表面活性剂分子紧密吸附在油滴周围,形成具有一定机械强度的吸附膜。当油滴相互接触和碰撞时,吸附膜可防止油滴聚集,使洗液稳定存在。这种能使乳化顺利进行的表面活性剂称为乳化剂。

如果选择离子表面活性剂作为乳化剂,油水界面将形成电双层和水合层,进一步防止油滴的聚集。如果使用非离子表面活性剂作为乳化剂,油滴周围将形成相对牢固的水合层,以防止冷凝。

乳化形成的油水分散体系称为乳液。有两种类型的乳液。

一种是水包油型(油/水型),以油/水为代表。水包油型是指油液以颗粒形式分散在水中,其中油为内相(不连续相),水为外相(连续相);

另一种是油包水型(水/油型),以水/油为代表。油包水型是指水以颗粒形式分散在油中,其中水为内相(不连续相),油为外相(连续相)。

一般来说,亲水性强的乳化剂容易形成油/水乳液,而疏水性强的乳化剂容易形成水/油乳液。

乳化剂是表面活性剂,但并非所有表面活性剂都是好的乳化剂。只有在水中形成稳定胶束的表面活性剂才能具有良好的乳化和分散能力。乳化剂应具有适当的HLB值,如非离子表面活性剂,其HLB值在8到18之间形成油/水型乳液,在3到6之间形成水/油型乳液;乳化剂和乳化产品应具有相似的分子结构,这可以显著降低乳化产品与水之间的界面张力;乳化剂应具有较强的水合作用,在乳化颗粒周围形成水合层,或使乳化颗粒具有较高的电荷,以防止乳化颗粒聚集。

在染整加工过程中,经常使用一些乳液,其中大部分是油/水乳液。

(3) 分散作用

将不溶性固体物质均匀分散在液体中形成的小颗粒体系称为分散体系或悬浮体系,这种效应称为色散。能使分散顺利进行的表面活性剂称为分散剂。分散的固体颗粒称为分散相(内相),分散的液体称为分散介质(外相)。乳化和分散这两种功能非常相似。主要区别在于乳液的内相是液体,而分散体的内相是固体。

表面活性剂必须具有三种功能才能成为良好的分散剂。首先,它必须具有良好的润湿性能,以便液体能够充分润湿每个固体颗粒,取代颗粒中的空气,并进一步将固体颗粒破碎成更小的晶体。其次,它必须能够显著降低固液界面张力,增加固液之间的吸附和相容性,减少系统中存在的能量。Z后,它必须以水合层或带电层的形式在固体颗粒周围形成高机械强度的界面膜,以防止固体颗粒的聚集。

对于分散的固体,必须尽可能减少颗粒体积。颗粒体积越小,越有利于表面活性剂的润湿、分化和吸附,并在其周围形成边界面膜。例如,分散染料必须经过预处理并研磨成2μm,只有小于m的小颗粒才能在分散剂的作用下形成相对稳定的悬浮染色溶液。然而,色散仍然是一个热力学不稳定的系统。与乳液相比,不稳定因素较多,不稳定性较大,更容易结块分层,影响其正常使用。因此,分散工作液不宜存放太长时间。分散剂广泛应用于染整加工,如分散染料和还原染料的制备。常用的分散剂包括分散剂NNO和分散剂WA,其中阴离子表面活性剂更常见。

(4) 发泡作用

气体在液体中分散的状态称为气泡。由大量气泡形成的分散体系称为泡沫。促进泡沫形成的能力称为发泡。泡沫类似于乳液和悬浮液,只是内部相是气体,而不是液体和固体。

泡沫在表面活性剂的作用下更容易产生和稳定存在。能促进泡沫形成的表面活性剂称为发泡剂或发泡剂,能促进泡沫稳定存在的表面活性剂称为泡沫稳定剂。

形成的泡沫也是一个热力学不稳定的系统,由于气泡之间的液膜结合以及小气泡向大气泡的渗透,容易导致气泡破裂和泡沫消失。如果液体中有表面活性剂,因为气泡表面可以吸附表面活性剂分子,当这些定向分子在气泡表面达到一定程度时,气泡壁将变成一层固体膜,这使得气泡难以合并;此外,由于表面活性剂在液体表面的定向排列,液体的表面张力显著降低,导致气泡之间的内部压差减小,从而减慢了排放速度。表面活性剂的上述两种作用降低了气泡的破裂能力,有利于泡沫的形成和稳定存在。

泡沫对污垢的去除和悬浮有一定的效果。在染整加工过程中,也有一些工艺依赖于发泡剂,如泡沫染色、泡沫印花等新工艺。然而,在染整加工过程中,越来越多的场合要求低泡沫或无泡沫,因此如何抑制和消除泡沫更是人们关注的问题。

(5) 增溶作用

溶剂中完全不溶或微溶的物质溶解在表面活性剂形成的胶束中,成为热力学稳定的溶液。这种现象称为增溶。形成的透明溶液称为增溶溶液或胶束溶液。被溶解的物质称为增溶剂,而增溶表面活性剂称为增溶剂。增溶作用不同于乳化作用和分散作用,也与乳化作用和分散作用有关。

区别在于:

(1) 乳化仅限于液体和固体之间形成的分散体系,分散仅限于固体和液体之间形成的分散体系。通过增溶溶解的物质可以是液体或固体。

(2) 乳化和分散形成热力学不稳定的非均相分散体系,而增溶形成热力学稳定的均相体系。

(3) 外观明显不同。乳状液和分散液大多呈乳白色和混浊状,而溶解溶液则是透明的。

链接包括:

增溶是乳化或分散的Z终阶段和理想状态,两者之间存在相互转化的途径。例如,乳液也可以变成微乳液——其外观已从乳状变为透明,接近溶解溶液;当向溶解溶液中加入一定量的溶解溶质时,溶解溶液将变成乳液-外观将从透明变为乳白色。

溶解溶液也与实际溶液有根本不同。真正的溶液是以分子或离子的形式溶解在溶剂中的有机或无机物质,而溶解在溶解溶液中的溶解溶质以比分子大得多的“分子基团”的形式包围在胶束中。

用作增溶剂的表面活性剂必须在溶液中达到足够的浓度,并在溶液中形成足够的胶束,以确保增溶的顺利进行。此外,形成的杆状、层状等高级胶束越多,增溶效果越明显。

增溶对染整也有许多特殊功能。例如,当分散染料用适当的增溶剂增溶时,其在水中的溶解度会显著提高,有利于工作液的稳定性,提高染色效果;许多高档含硅柔软剂需要配制成高稳定性的微乳和增溶溶液,才能产生优异的整理效果;增溶在去除织物污垢方面也起着重要作用。

(6) 洗涤作用

从浸没在某种介质(主要是水)中的固体表面去除异物或污垢的过程称为清洗。能起洗涤作用的化学物质被称为洗涤剂。大多数洗涤剂使用表面活性剂作为其主要成分。

洗涤效果复杂,是表面活性剂润湿、乳化、分散、增溶等综合作用的共同结果,也是搅拌、捏合、水流等机械作用的共同结果。

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