表面活性剂的基本特征

表面活性剂之所以能够在极低的浓度下显著降低溶液的表面张力是与其分子的结构特点密不可分的。表面活性剂分子通常由两部分构成:一部分是疏水基团(hydrophobic group).它是由疏水、亲油的非极性碳氢链构成，也可以是硅烷基、硅氧烷基或碳氟链;另一部分是亲水基团(hydrophobic group)，通常由亲水、疏油的极性基团构成。这两部分分处于表面活性剂分子的两端，形成不对称的结构，因此，表面活性剂分子是一种双亲分子，具有既亲油、又亲水的双亲性质。

图1-7是阴离子、阳离子、非离子和两性表面活性剂典型品种的两亲分子结构示意图。它们的亲油基皆为长碳链的烷基，而亲水基则分别为-SO₄、-N⁺(CH₃)₃、-O(C₂H₄O)_n和-COO^-等

图1-7 表面活性剂两亲分子示意图

图1-8 表面活性剂分子在表面的吸附和胶束形成示意图

这样的分子结构使其一部分与水分子具有很强的亲和力，赋予表面活性剂分子的水溶性。而另一部分因疏水有自水中逃离的性质，因此表面活性剂分子会在水溶液体系中(包括表面、界面)发生定向排列，从溶液的内部转移至表面，以疏水基朝向气相(或油相)，亲水基插人水中，形成紧密排列的单分子吸附层，见图1-8(a)，满足疏水基逃离水包围的要求，这个溶液表面富集表面活性剂分子的过程就是使溶液的表面张力急剧下降的过程。因为非极性物质往往具有较低的表面自由能，表面活性剂分子吸附于液体表面，用表面自由能低的分子覆盖了表面自由能高的溶剂分子，因此溶液的表面张力降低。

随着表面活性剂浓度的增加，水表面逐渐被覆盖。当溶液浓度增加到一定值后，水表面全部被活性剂分子占据，达到吸附饱和，表面张力不再继续明显降低，而是维持基本稳定。此时表面活性剂的浓度增加，其分子会在溶液内部采取另外一种排列方式，即形成胶束（又称胶团），如图1-8（b）所示。

表面活性剂的分类

表面活性剂的品种很多，可以从不同角度进行分类，例如按照离子类型分类、按照亲水基的结构分类，按照疏水基的种类分类、按照表面活性剂结构的特殊性分类等，此外还有其他分类方法。

1、按离子类型分类

这是表面活性剂研究与应用过程中最常用的分类方法。大多数表面活性剂是水溶性的，根据它们在水溶液中的状态和离子类型可以将其分为非离子型表面活性剂和离子型表面活性剂。非离子型表面活性剂在水中不能离解产生任何形式的离子，如脂肪醇聚氧乙烯醚，其结构式为

RO(CH₂CH₂O)_nH

离子型表面活性剂在水溶液中能够发生电离，并产生带正电或带负电的离子。根据离子的类型，该类表面活性剂又可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性表面活性剂三种。

例如十二烷基苯磺酸钠在水中可以电离出磺酸根离子，属于阴离子表面活性剂;苄基三甲基氯化铵电离产生季铵阳离子，属于阳离子表面活性剂。

两性表面活性剂分子中同时存在酸性和碱性基团，如十二烷基甜菜碱。这类表面活性剂在水中的离子性质通常与溶液的pH值有关。

十二烷基甜菜碱

2、 按亲水基的种类分类

表面活性剂分子主要由亲水基团和疏水基团两部分构成，其中亲水基团的结构对表面活性剂的性质影响很大，因此人们也常常按亲水基团对表面活性剂进行分类。主要亲水基团的名称、结构及相关表面活性剂的实例如表1-3所示。

在上述各种亲水基团中，羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐溶于水电离产生负离子，从离子类型上讲属于阴离子型亲水基团；胺盐、季铵盐和鎓盐为阳离子型亲水基团；而羟基和聚氧乙烯基不发生离解，属于非离子型亲水基团。

3、按疏水基的结构分类

疏水基是表面活性剂的另一个重要组成部分，通常由烃基构成，其结构不同主要表现在碳氢链结构的差异上。重要的疏水基类型有以下几种：

4、按表面活性剂的特殊性分类

新型表面活性剂显示出十分优异的应用性能，它们的结构与传统表面活性剂不同，这些特殊类型的表面活性剂主要有以下几类。

（1）碳氟表面活性剂　是指疏水基碳氢链中的氢原子部分或全部被氟原子取代的表面活性剂。该类活性剂表面活性很高，既具有疏水性，又具有疏油性，碳原子数一般不超过 10。例如全氟代辛酸钠：

CF₃(CF₂)₆COONa

（2）含硅表面活性剂　其活性介于碳氟表面活性剂和传统碳氢表面活性剂之间，通常以硅烷基和硅氧烷基为疏水基，例如

（3）高分子表面活性剂　通常将分子量高于 1000 的表面活性剂称为高分子表面活性剂。高分子表面活性剂根据来源可以分为天然、合成和半合成三类；根据离子类型可以分为阴离子、阳离子、两性和非离子型四类。高分子表面活性剂起泡性小，洗涤效果差，但分散性、增溶性、絮凝性好，多用作乳化剂或分散剂等。例如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯等是其主要品种。

（4）生物表面活性剂　是细菌、酵母和真菌等微生物代谢过程中产生的具有表面活性的化合物，其疏水基多为烃基，亲水基可以是羧基、磷酸酯基及多羟基等。

（5）冠醚型表面活性剂　冠醚是以氧乙烯基为结构单元构成的大环状化合物，能够与金属离子络合，在某些方面的性质与非离子表面活性剂类似，例如

5、其他分类方法

除上述分类方法外，按照表面活性剂的溶解性能可将其分为水溶性和油溶性表面活性剂；按照分子量可分为低分子和高分子表面活性剂；按照应用功能可分为乳化剂、洗涤剂、润湿剂、发泡剂、消泡剂、分散剂、絮凝剂、渗透剂及增溶剂等。

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