精细化工工艺学 3 表面活性剂.ppt

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精细化工工艺学 3 表面活性剂

第3章 表面活性剂 3.1 表面活性剂概述 表面活性剂工业是上世纪30年代发展起来的一门新型化学工业,随着石油化学工业的发展,发达国家表面活性剂的产量逐年迅速增长,已成为国民经济的基础工业之一。目前,国外已有表面活性剂5000多个品种,商品牌号达万种以上。 3.1 表面活性剂概述 我国肥皂工业起步于1903年,但合成洗涤剂则始于50年代末60年代初,60年代开始表面活性剂有所发展,但发展速度和品种较发达国家相差甚大。1990年我国表面活性剂约290种,产量约31.8万吨。2005年我国表面活性剂产量达301.8万吨,居世界第二位;其中工业表面活性剂占我国表面活性剂总产量的比例从2000年的47.55%增长到2005年的72.26%。 能够生产阳离子、阴离子、非离子、两性离子4大类、45个分类、130个小类的4714种表面活性剂产品,广泛应用于工业、农业、国防、军工和日常生活等领域。 3.1.1 表面与表面张力 我们周围的各种物质在一定条件下都可以形成气、液、固三种聚集状态,例如水、水蒸气、冰就是一种物质的三种不同聚集状态。不同聚集状态,即不同相的物质相互接触,形成相与相的分界面,我们称之为“界面”。相界面类型取决于相互接触的两相物质的聚集状态。在各相之间存在的界面,有气—液、气—固、液—液、液—固、固—固等五类相间的界面。由于人们的眼睛通常看不见气相,所以经常把由气相组成的界面(即气—液、气—固界面)称做表面。 3.1.1 表面与表面张力 表面上的分子所处的状态与体相内部分子所处的状态不同,体相内部分子受到周围分子的作用力,总的来说是对称的。而表面上的分子,由于两相性质的差异,所受的作用力是不对称的。因此,表面分子比起液相内部分子来说相对地不稳定,它有向液体内迁移的趋势,即有缩小表面积的趋势。通常我们看到的汞滴、露水珠呈球形,就是这个道理。 3.1.1 表面与表面张力 表面张力是由于表面层分子和液体内部分子所处的环境不一样形成的。图3-1为气-液体系中表面层分子与液体内部分子所受力状态示意图 3.1.1 表面与表面张力 在液体内部的分子A周围分子对它的作用力是对称的,彼此相互抵消,合力为零。分子A在液体内部可以自由移动,不消耗功。而处在表面的分子B则不同,液体内部分子对它的吸引力大,气体分子对它的吸引力小,总的合力是受到指向液体内部并垂直于表面的引力。这种力趋于把表面分子拉入液体内部,因而表层分子比液体内部分子相对地不稳定,它有向液体内部迁移的趋势,所以液体表面总有自动缩小的趋势。 3.1.1 表面与表面张力 液体表面张力可以这样测量,即采用一个钢丝制成的框(如图3-2),框的一边是可以自由移动的AB钢丝。待此框从肥皂水中拉出,即可在框中形成一层肥皂水膜。 3.1.1 表面与表面张力 肥皂膜因表面张力的作用而缩小。在可移动的钢丝AB上施加外力F,才能使肥皂膜稳定存在。以γ表示表面张力,可移动的钢丝长度为L。由于肥皂膜有前后两个表面,因此边缘总长为2L。肥皂膜达到平衡时所施外力F=2γL。 γ=F/(2L) 表面张力可以定义为,垂直作用于液体表面上任一单位长度,与液面相切的收缩表面的力。表面张力的单位通常以N·m-1表示。 3.1.2 表面活性与表面活性剂 表面活性物质,是指能使其溶液表面张力降低的物质。 习惯上把显著降低溶液表面张力,改变体系界面状态的物质,称为表面活性剂。 不能只从降低表面张力的角度来定义表面活性剂,应该认为,凡是加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质,称为表面活性物质。 3.1.2 表面活性与表面活性剂 表面活性剂一般都是线型分子,其分子中同时含有亲水(憎油)性的极性基团和亲油(憎水)性的非极性基团,从而使表面活性剂既具有亲水又具有亲油的双亲性。例如,在表面活性剂硬脂酸钠C17H35COONa的分子中,C17H35-为亲油基,COO-为亲水基,从分子结构上看,它是两亲分子。 3.1.2 表面活性与表面活性剂 但是具有两亲结构的物质,并不一定都是表面活性剂。例如:脂肪酸钠盐,当碳原子数较少时(如甲、乙、丙、丁酸钠盐),虽然也具有亲油和亲水两部分结构,但没有象肥皂那样的去污能力,所以不是表面活性剂。 3.1.2 表面活性与表面活性剂 只有当含碳原子数达到一定数目后,脂肪酸钠盐才表现出明显的表面活性。可是,当碳原子数超过一定数目以后,由于变成不溶于水的化合物,又失去了表面活性的作用。所以,对于脂肪酸钠盐来说,含碳原子数在3-20之间,才有明显的表面活性剂特征。 表面活性剂达到一定浓度后可缔合形成胶团,从而具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用,成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。 3

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