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    表面活性劑的基本功能

    2022-06-09 09:06:27

    表面活性劑是一種兩親性分子,在水溶液中具有兩種界面(表面)吸附功能。

    首先,水的表面張力可以通過“正吸附”迅速降低,這反映了表面活性劑的潤濕性和滲透性;

    其次,“膠束化”可以在水中形成大量膠束,有效降低兩相之間的界面張力,使液體、固體和氣體能夠穩定地存在于水中,體現出表面活性劑的乳化、分散、發泡、增溶等功能。洗滌功能是表面活性劑發揮潤濕、乳化、分散、發泡、增溶等多種功能的綜合過程。接下來,簡要討論了表面活性劑的潤濕、乳化、分散、發泡、增溶、洗滌等作用原理及其反應原理。

    (1) 濕潤和滲透

    剪一塊灰布,輕輕地放在水面上。這塊灰布會在水面上停留一段時間,然后慢慢沉到水底。如果在水中加入少量表面活性劑JFC,我們發現放置在水面上的灰布會立即沉入底部,這是測試表面活性劑潤濕能力的常用方法。

    一般來說,潤濕是一個過程,其中一種流體被固體表面上的另一種流體所取代。因此,潤濕至少涉及三個階段,其中兩個階段是流體,一個階段是固體。在染整加工中,纖維(固體)表面的氣體(一種流體)被水(另一種流體)所取代。

    純水中灰布的潤濕速度較慢,因為水的表面張力較大,不能在纖維表面迅速擴散,也不能迅速替代灰布中的空氣;在水中加入表面活性劑后,水的表面張力明顯降低,使水在纖維表面迅速擴散,迅速取代空氣,從而加快了潤濕過程。因此,能夠使潤濕過程快速發生的表面活性劑被稱為潤濕劑或滲透劑,而表面活性劑在該過程中的作用被稱為潤濕劑或滲透劑。

    潤濕和滲透之間沒有本質區別。前者作用于固體表面,后者作用于固體內部。它們可以使用相同的表面活性劑,因此潤濕劑也可以稱為滲透劑。

    表面活性劑之所以具有潤濕性和滲透性,是因為它們可以顯著降低水的表面張力。

    與一般的固體平面不同,織物是一個多孔系統。許多不同尺寸的毛細管分布在紗線、纖維和纖維內部的微結構之間。因此,在染整過程中,織物的潤濕性往往是通過毛細管效應來衡量的。

    在染整工作液中加入少量潤濕滲透劑后,可顯著改善織物的毛細效應,保證染整過程的順利進行。

    對于用作潤濕劑和滲透劑的表面活性劑,分子鏈長度和HLB值應適當。那些在疏水基團中含有支鏈的將顯著改善其潤濕性。親水基團位于分子鏈中心的離子表面活性劑的潤濕性較好。引入第二親水基團后,表面活性劑的潤濕性降低。聚氧乙烯非離子表面活性劑在高溫下用作滲透劑時,應與陰離子表面活性劑共用,以提高其熱穩定性。對于在強酸和強堿條件下使用的潤濕劑和滲透劑,應充分考慮其化學穩定性,以避免分解失效。

    染整加工中常用的潤濕滲透劑有滲透劑JFC、滲透劑T、拉粉BX、滲透劑5881、絲光滲透劑MP等品牌。

    (2) 乳化作用

    兩種不互溶的液體,其中一種以液滴的形式分散在另一相中。這種效應稱為乳化。

    乳化通常不是自動的或長久存在的。例如,如果油和水一起劇烈攪拌,雖然也會形成暫時乳化,但一旦攪拌停止,油和水將分為上層和下層。這是因為油和水之間存在很大的界面張力。油在攪拌作用下變成液滴后,油和水的接觸面積將大大增加,表面能將迅速增加,并成為一個不穩定的系統,因此一旦攪拌停止,它將被分為兩層,恢復到穩定狀態,兩相之間的接觸面積Z小。如果在油水中加入一定量的表面活性劑,然后攪拌,由于表面活性劑在油水界面上具有定向吸附的能力,親水基團延伸到水,疏水基團延伸到油,從而降低油水之間的界面張力,降低系統的界面能。

    在降低界面張力的同時,表面活性劑分子緊密吸附在油滴周圍,形成具有一定機械強度的吸附膜。當油滴相互接觸和碰撞時,吸附膜可防止油滴聚集,使洗液穩定存在。這種能使乳化順利進行的表面活性劑稱為乳化劑。

    如果選擇離子表面活性劑作為乳化劑,油水界面將形成電雙層和水合層,進一步防止油滴的聚集。如果使用非離子表面活性劑作為乳化劑,油滴周圍將形成相對牢固的水合層,以防止冷凝。

    乳化形成的油水分散體系稱為乳液。有兩種類型的乳液。

    一種是水包油型(油/水型),以油/水為代表。水包油型是指油液以顆粒形式分散在水中,其中油為內相(不連續相),水為外相(連續相);

    另一種是油包水型(水/油型),以水/油為代表。油包水型是指水以顆粒形式分散在油中,其中水為內相(不連續相),油為外相(連續相)。

    一般來說,親水性強的乳化劑容易形成油/水乳液,而疏水性強的乳化劑容易形成水/油乳液。

    乳化劑是表面活性劑,但并非所有表面活性劑都是好的乳化劑。只有在水中形成穩定膠束的表面活性劑才能具有良好的乳化和分散能力。乳化劑應具有適當的HLB值,如非離子表面活性劑,其HLB值在8到18之間形成油/水型乳液,在3到6之間形成水/油型乳液;乳化劑和乳化產品應具有相似的分子結構,這可以顯著降低乳化產品與水之間的界面張力;乳化劑應具有較強的水合作用,在乳化顆粒周圍形成水合層,或使乳化顆粒具有較高的電荷,以防止乳化顆粒聚集。

    在染整加工過程中,經常使用一些乳液,其中大部分是油/水乳液。

    (3) 分散作用

    將不溶性固體物質均勻分散在液體中形成的小顆粒體系稱為分散體系或懸浮體系,這種效應稱為色散。能使分散順利進行的表面活性劑稱為分散劑。分散的固體顆粒稱為分散相(內相),分散的液體稱為分散介質(外相)。乳化和分散這兩種功能非常相似。主要區別在于乳液的內相是液體,而分散體的內相是固體。

    表面活性劑必須具有三種功能才能成為良好的分散劑。首先,它必須具有良好的潤濕性能,以便液體能夠充分潤濕每個固體顆粒,取代顆粒中的空氣,并進一步將固體顆粒破碎成更小的晶體。其次,它必須能夠顯著降低固液界面張力,增加固液之間的吸附和相容性,減少系統中存在的能量。Z后,它必須以水合層或帶電層的形式在固體顆粒周圍形成高機械強度的界面膜,以防止固體顆粒的聚集。

    對于分散的固體,必須盡可能減少顆粒體積。顆粒體積越小,越有利于表面活性劑的潤濕、分化和吸附,并在其周圍形成邊界面膜。例如,分散染料必須經過預處理并研磨成2μm,只有小于m的小顆粒才能在分散劑的作用下形成相對穩定的懸浮染色溶液。然而,色散仍然是一個熱力學不穩定的系統。與乳液相比,不穩定因素較多,不穩定性較大,更容易結塊分層,影響其正常使用。因此,分散工作液不宜存放太長時間。分散劑廣泛應用于染整加工,如分散染料和還原染料的制備。常用的分散劑包括分散劑NNO和分散劑WA,其中陰離子表面活性劑更常見。

    (4) 發泡作用

    氣體在液體中分散的狀態稱為氣泡。由大量氣泡形成的分散體系稱為泡沫。促進泡沫形成的能力稱為發泡。泡沫類似于乳液和懸浮液,只是內部相是氣體,而不是液體和固體。

    泡沫在表面活性劑的作用下更容易產生和穩定存在。能促進泡沫形成的表面活性劑稱為發泡劑或發泡劑,能促進泡沫穩定存在的表面活性劑稱為泡沫穩定劑。

    形成的泡沫也是一個熱力學不穩定的系統,由于氣泡之間的液膜結合以及小氣泡向大氣泡的滲透,容易導致氣泡破裂和泡沫消失。如果液體中有表面活性劑,因為氣泡表面可以吸附表面活性劑分子,當這些定向分子在氣泡表面達到一定程度時,氣泡壁將變成一層固體膜,這使得氣泡難以合并;此外,由于表面活性劑在液體表面的定向排列,液體的表面張力顯著降低,導致氣泡之間的內部壓差減小,從而減慢了排放速度。表面活性劑的上述兩種作用降低了氣泡的破裂能力,有利于泡沫的形成和穩定存在。

    泡沫對污垢的去除和懸浮有一定的效果。在染整加工過程中,也有一些工藝依賴于發泡劑,如泡沫染色、泡沫印花等新工藝。然而,在染整加工過程中,越來越多的場合要求低泡沫或無泡沫,因此如何抑制和消除泡沫更是人們關注的問題。

    (5) 增溶作用

    溶劑中完全不溶或微溶的物質溶解在表面活性劑形成的膠束中,成為熱力學穩定的溶液。這種現象稱為增溶。形成的透明溶液稱為增溶溶液或膠束溶液。被溶解的物質稱為增溶劑,而增溶表面活性劑稱為增溶劑。增溶作用不同于乳化作用和分散作用,也與乳化作用和分散作用有關。

    區別在于:

    (1) 乳化僅限于液體和固體之間形成的分散體系,分散僅限于固體和液體之間形成的分散體系。通過增溶溶解的物質可以是液體或固體。

    (2) 乳化和分散形成熱力學不穩定的非均相分散體系,而增溶形成熱力學穩定的均相體系。

    (3) 外觀明顯不同。乳狀液和分散液大多呈乳白色和混濁狀,而溶解溶液則是透明的。

    鏈接包括:

    增溶是乳化或分散的Z終階段和理想狀態,兩者之間存在相互轉化的途徑。例如,乳液也可以變成微乳液——其外觀已從乳狀變為透明,接近溶解溶液;當向溶解溶液中加入一定量的溶解溶質時,溶解溶液將變成乳液-外觀將從透明變為乳白色。

    溶解溶液也與實際溶液有根本不同。真正的溶液是以分子或離子的形式溶解在溶劑中的有機或無機物質,而溶解在溶解溶液中的溶解溶質以比分子大得多的“分子基團”的形式包圍在膠束中。

    用作增溶劑的表面活性劑必須在溶液中達到足夠的濃度,并在溶液中形成足夠的膠束,以確保增溶的順利進行。此外,形成的桿狀、層狀等高級膠束越多,增溶效果越明顯。

    增溶對染整也有許多特殊功能。例如,當分散染料用適當的增溶劑增溶時,其在水中的溶解度會顯著提高,有利于工作液的穩定性,提高染色效果;許多高檔含硅柔軟劑需要配制成高穩定性的微乳和增溶溶液,才能產生優異的整理效果;增溶在去除織物污垢方面也起著重要作用。

    (6) 洗滌作用

    從浸沒在某種介質(主要是水)中的固體表面去除異物或污垢的過程稱為清洗。能起洗滌作用的化學物質被稱為洗滌劑。大多數洗滌劑使用表面活性劑作為其主要成分。

    洗滌效果復雜,是表面活性劑潤濕、乳化、分散、增溶等綜合作用的共同結果,也是攪拌、捏合、水流等機械作用的共同結果。

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