表面活性劑是兩親分子, 使它在水溶液中具有兩種界面(表面)吸附功能。其一, 通過“正吸附”可迅速降低水的表面張力, 體現(xiàn)了表面活性劑的潤濕、滲透作用; 其二, 通過“膠束化”可在水中形成大量膠束并有效降低兩相間的界面張力, 使液體、固體、氣體能在水中穩(wěn)定存在, 體現(xiàn)了表面活性劑的乳化、分散、發(fā)泡、增溶等作用。而洗滌作用則是表面活性劑發(fā)揮潤濕、乳化、分散、發(fā)泡、增溶等各種功能的綜合過程。下面江蘇大堯化工技術(shù)部就表面活性劑的潤濕、乳化、分散、發(fā)泡、增溶、洗滌等作用原理以及它們的反作用原理做簡要論述。

一、 潤濕和滲透作用

剪一塊坯布輕放于水面, 這塊坯布會在水面上停留一段時間再慢慢沉入水底。若在水中加入少許表面活性劑JFC, 我們發(fā)現(xiàn)放于水面的坯布會馬上沉入水底, 這是測試表面活性劑潤濕能力的一個常見方法。

一般來講, 潤濕是固體表面上一種流體被另一種流體所取代的過程。因此, 潤濕作用至少涉及三相, 其中兩相是流體, 一相是固體。染整加工中, 多為纖維(固體) 表面上的氣體( 一種流體) 被水(另一種流體)所取代的過程。

坯布在純水中潤濕速度較慢, 是因為水的表面張力較大, 不能在纖維表面迅速鋪展, 不能將坯布內(nèi)的空氣快速取代出去; 水中加入表面活性劑之后, 水的表面張力明顯下降, 使水能在纖維表面迅速鋪展并將空氣迅速取代出去, 從而加快了潤濕過程。因此,能使?jié)櫇襁^程迅速發(fā)生的表面活性劑被叫做潤濕劑或滲透劑, 表面活性劑在這個過程所起的作用叫做潤濕作用或滲透作用。

潤濕作用與滲透作用并無本質(zhì)上的區(qū)別, 前者作用在固體表面,后者作用在固體內(nèi)部, 兩者可使用相同的表面活性劑, 因而潤濕劑也可稱為滲透劑。

作為潤濕、滲透劑使用的表面活性劑, 其分子鏈長度宜適中, HLB值宜適當, 疏水基中含有支鏈的會明顯提高其潤濕能力, 離子型表面活性劑其親水基位于分子鏈中央者潤濕性最好, 表面活性劑分子引入第二個親水基后潤濕性會下降。聚氧乙烯型非離子表面活性劑在高溫下用做滲透劑時, 宜與陰離子型表面活性劑共用, 以提高其熱穩(wěn)定性, 在強酸、強堿條件下使用的潤濕、滲透劑, 要充分考慮其化學穩(wěn)定性, 以免分解失效。

二、乳化作用

兩種互不相溶的液體,其中一相以微滴狀分散于另一相中,這種作用稱為乳化作用。乳化作用往往不會自動發(fā)生或長久存在。例如,將油和水放在一起進行劇烈攪拌,雖然也能形成暫時乳化狀態(tài),但攪拌一旦停止,油與水又馬上分為上下兩層,這是由于油—水間存在著較大的界面張力,油在攪拌作用下變成微滴之后,油—水間的接觸面積會大大增加,表面能迅速增大,成為一種不穩(wěn)定體系,以致一旦停止攪拌,便會分為兩層,恢復(fù)成為兩相接觸面積最小的穩(wěn)定狀態(tài)。如果在油和水中加入一定量適當?shù)谋砻婊钚詣?再給以攪拌,由于表面活性劑在油—水界面上有定向吸附的能力,親水基伸向水,疏水基伸向油,從而降低了油—水間的界面張力,使體系的界面能下降。

在降低界面張力的同時,表面活性劑分子緊密地吸附在油滴周圍,形成具有一定機械強度的吸附膜,當油滴相互接觸、碰撞時,吸附膜能阻止油滴的聚集,從而使乳液穩(wěn)定存在。這種能使乳化作用順利發(fā)生的表面活性劑叫做乳化劑。

如果選擇離子型表面活性劑作為乳化劑,還會在油—水界面上形成雙電層和水化層,都有進一步防止油滴聚集的作用。若使用非離子型表面活性劑作為乳化劑,則會在油滴周圍形成比較牢固的水化層,起防凝聚作用。肥皂作為乳化劑使用時的乳液狀態(tài)如下圖所示。

三、分散作用

將不溶性固體物質(zhì)以微小的顆粒均勻地分散在液體中所形成的體系稱為分散體或懸浮體,這種作用稱為分散作用,能使分散作用順利發(fā)生的表面活性劑稱為分散劑。被分散的固體顆粒稱分散相(內(nèi)相),分散的液體稱分散介質(zhì)(外相)。乳化與分散這兩種作用十分相似,其主要區(qū)別是乳狀液的內(nèi)相是液體,而分散液的內(nèi)相是固體。

表面活性劑必須具有三種作用才能成為良好的分散劑。首先,它必須具有良好的潤濕性能,使液體充分潤濕每一個固體顆粒、取代顆粒中的空氣,進一步使固體顆粒碎裂成更小的晶體。其次,它必須能顯著地降低固體—液體之間的界面張力,增加固體—液體之間吸附、相容的能力,使體系內(nèi)存在的能量降低。最后,它必須以水化層或帶電層的形式在固體顆粒周圍形成機械強度較高的界面膜,以阻止固體顆粒間的聚集。

四、發(fā)泡作用

氣體分散在液體中的狀態(tài)稱為氣泡,大量氣泡聚集在一起形成的分散體系稱為泡沫,能促使泡沫形成的能力稱為發(fā)泡作用。泡沫類似于乳狀液和懸浮體,所不同的是內(nèi)相為氣體,而不是液體和固體。

泡沫在表面活性劑的作用下更容易產(chǎn)生和穩(wěn)定存在,能促進泡沫生成的表面活性劑稱為發(fā)泡劑或起泡劑,能促使泡沫穩(wěn)定存在的表面活性劑稱為穩(wěn)泡劑。

形成的泡沫同樣是一個熱力學不穩(wěn)定體系,容易因為氣泡間液膜層產(chǎn)生排液現(xiàn)象和小氣泡穿透大氣泡的合并作用,而使氣泡不斷破裂、泡沫消失。若液體中存在表面活性劑,由于氣泡表面能吸附表面活性劑分子,這些定向排列的分子在氣泡表面達到一定程度時,氣泡壁就成為一層堅固的薄膜,從而使氣泡間不易發(fā)生合并;

五、增溶作用

在溶劑中完全不溶或微溶的物質(zhì)進入表面活性劑形成的膠束中得到溶解,并成為熱力學穩(wěn)定溶液,這種現(xiàn)象稱為增溶作用,所形成的透明溶液稱為增溶溶液或膠束溶液,被增溶的物質(zhì)稱為增溶溶解質(zhì),起增溶作用的表面活性劑稱為增溶劑。

增溶作用與乳化作用和分散作用既有區(qū)別又有聯(lián)系。

其區(qū)別在于:

(1)乳化作用僅限于液體—液體之間形成的分散體系,分散作用僅限于固體—液體之間形成的分散體系,而增溶作用所溶解的物質(zhì),既可以是液體,也可以是固體。

(2)乳化作用和分散作用形成的是熱力學不穩(wěn)定多相分散體系,而增溶作用形成的是熱力學穩(wěn)定的均相體系。

(3)外觀上明顯不同,乳狀液和分散液多為乳白狀和懸濁狀,而增溶溶液為透明狀。

其聯(lián)系在于:增溶作用可以看作是乳化作用或分散作用的極限階段、理想狀態(tài),它們之間有相互轉(zhuǎn)化的途徑。

作為增溶劑而使用的表面活性劑,必須在溶液中達到足夠的濃度,在溶液中形成足夠多的膠束,才能保證增溶作用的順利產(chǎn)生,而且形成的棒狀、層狀等高級膠束數(shù)量越多,增溶效果就會越明顯。

六、洗滌作用

從浸在某種介質(zhì)(多為水)中的固體表面除去異物或污垢的過程稱為洗滌,能發(fā)揮洗滌作用的化學品稱為洗滌劑,洗滌劑多以表面活性劑作為主要成分。

洗滌作用較復(fù)雜,是表面活性劑的潤濕、乳化、分散、增溶等綜合作用以及攪拌、揉搓、水流等機械作用的共同結(jié)果。

在洗滌過程中,污垢的去除通過如下具體方式:

(1)洗滌劑向纖維表面和污垢表面做定向界面吸附,并進一步向纖維與污垢之間(相互接觸處)潤濕、滲透。

(2)在洗滌劑的分割、取代作用下,污垢與纖維之間的結(jié)合力減弱,并在機械或水流的作用下脫離纖維。

(3)脫離下來的污垢在水溶液中被洗滌劑乳化分散或增溶,不使其再沉積回到織物表面。

(4)污垢與洗滌劑隨水溶液被沖洗除去,吸附于織物表面的殘余洗滌劑也一同被沖洗除去。

污垢一般分為油性污垢和固體污垢兩類,油性污垢多由動、植物油,礦物油等組成,固體污垢主要是塵土、鐵銹、炭黑等。油性污垢與織物間通過分子間引力以面粘接形式結(jié)合在一起,較不易清除,固體污垢與織物間以點粘接形式相連,較易去除。

實際上,油性污垢與固體污垢多以混雜形式摻合在一起形成混合污垢,因此只需采取措施將油性污垢清除,在油性污垢被有效清除的同時,固體污垢就被一并洗除。油性污垢的去除過程符合“卷縮”機理。

作為洗滌劑而使用的表面活性劑,其HLB值應(yīng)適當,通常分子結(jié)構(gòu)為直鏈型,親水基處于末端的表面活性劑洗滌作用更強。

由于纖維在水中多帶負電荷,因此陰離子型表面活性劑對織物具有優(yōu)良的洗滌效果,這是因為陰離子洗滌劑在污垢周圍形成的界面層同樣帶有負電荷,這就使織物與污垢之間產(chǎn)生一定的排斥力,有利于污垢從織物表面脫離,并穩(wěn)定地懸浮在水溶液中。

而陽離子型表面活性劑則會使污垢表面帶正電荷,反而會加強污垢與織物間的吸附,故陽離子型表面活性劑不宜作為洗滌劑使用。非離子型表面活性劑的cmc值很低,在低濃度下就有較強的去污能力,尤其對于疏水性的合成纖維,如滌綸織物,具有更好的洗滌效果,常作為洗滌劑使用。

洗滌劑的使用效果除與洗滌劑的分子結(jié)構(gòu)、類型有關(guān)外,還與洗滌液的濃度、溫度、pH值以及織物種類、機械作用等多方面因素密切相關(guān)。

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