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表面活性剂的基本作用

  表面是两亲分子,使它在水溶液中具有两种界面(表面)吸附功能。其一,通过“正吸附”可迅速降低水的表面张力,体现了表面活性剂的润湿、渗透作用;其二,通过“胶束化”可在水中形成大量胶束并有效降低两相间的界面张力,使液体、固体、气体能在水中稳定存在,体现了表面活性剂的乳化、分散、发泡、增溶等作用。而洗涤作用则是表面活性剂发挥润湿、乳化、分散、发泡、增溶等各种功能的综合过程。
  
  (一)润湿和渗透作用
  
  一般来讲,润湿是固体表面上一种流体被另一种流体所取代的过程。因此,润湿作用至少涉及三相,其中两相是流体,一相是固体。染整加工中,多为纤维(固体)表面上的气体(一种流体)被水(另一种流体)所取代的过程。坯布在纯水中润湿速度较慢,是因为水的表面张力较大,不能在纤维表面迅速铺展,不能将坯布内的空气快速取代出去;水中加入表面活性剂之后,水的表面张力明显下降,使水能在纤维表面迅速铺展并将空气迅速取代出去,从而加快了润湿过程。因此,能使润湿过程迅速发生的表面活性剂被叫做润湿剂或渗透剂,表面活性剂在这个过程所起的作用叫做润湿作用或渗透作用。
  
  润湿作用与渗透作用并无本质上的区别,前者作用在固体表面,后者作用在固体内部,两者可使用相同的表面活性剂,因而润湿剂也可称为渗透剂。
  
  面活性剂之所以具有润湿和渗透作用,是由于它能显著地降低水的表面张力。
  
  以液滴在固体平面上达到平衡时的情况,来分析表面活性剂的润湿渗透作用:或 cosθ=(rs-rsL)/rL
  
  θ角可用来衡量液体对固体的润湿程度:
  
  θ=0°,液滴在固体表面铺平,表示完全润湿;
  
  0°<θ<90°,液滴呈凸透镜状,表示部分润湿;
  
  θ>90°,液滴难于铺展,表示不润湿;
  
  θ=180°,液滴在固体表面呈球状,表示完全不润湿。
  
  由此可见,θ角越小,润湿性能越好。
  
  θ角的大小由rs、rL和rsL三个力支配,其中rs由固体种类决定是一个常数,只有设法使rL和rsL两个力尽量降低,才能使cosθ变大、θ角变小,润湿性能变好。液体中加入表面活性剂,不仅可使液体的表面张力rL迅速下降,还能使固—液间的界面张力rsL降低,从而使θ角变小,达到提高液体润湿性能的作用。
  
  织物与一般固体平面不同,它是一个多孔体系,在纱线之间、纤维之间以及纤维内部的微细结构之间,均分布着无数相互贯通、大小不同的毛细管,因此在染整加工过程中,织物的润湿能力常用毛细管效应来衡量。染整工作液中加入少量润湿、渗透剂之后,织物的毛细管效应就能明显提高,保证染整加工顺利进行。
  
  (二)乳化作用
  
  两种互不相溶的液体,其中一相以微滴状分散于另一相中,这种作用称为乳化作用。乳化作用往往不会自动发生或长久存在。例如,将油和水放在一起进行剧烈搅拌,虽然也能形成暂时乳化状态,但搅拌一旦停止,油与水又马上分为上下两层,这是由于油—水间存在着较大的界面张力,油在搅拌作用下变成微滴之后,油—水间的接触面积会大大增加,表面能迅速增大,成为一种内能很高的不稳定体系,以致一旦停止搅拌,便会分为两层,恢复成为两相接触面积最小的稳定状态。如果在油和水中加入一定量适当的表面活性剂,再给以搅拌,由于表面活性剂在油—水界面上有定向吸附的能力,亲水基伸向水,疏水基伸向油,从而降低了油—水间的界面张力,使体系的界面能下降。在降低界面张力的同时,表面活性剂分子紧密地吸附在油滴周围,形成具有一定机械强度的吸附膜,当油滴相互接触、碰撞时,吸附膜能阻止油滴的聚集,从而使乳液稳定存在。这种能使乳化作用顺利发生的表面活性剂叫做乳化剂。
  
  如果选择离子型表面活性剂作为乳化剂,还会在油—水界面上形成双电层和水化层,都有进一步防止油滴聚集的作用。若使用非离子型表面活性剂作为乳化剂,则会在油滴周围形成比较牢固的水化层,起防凝聚作用。
  
  经乳化作用形成的油—水分散体系叫做乳状液,乳状液有两种类型。一种是水包油型(油/水型),以O/W表示,水包油型是油类液体以微粒状分散在水中,其中油是内相(不连续相)、水是外相(连续相);另一种是油包水型(水/油型),以W/O表示,油包水型是水呈微粒状分散在油中,其中水是内相(不连续相)、油是外相(连续相)。一般来讲,亲水性强的乳化剂易形成油/水型乳状液,而疏水性强的乳化剂易形成水/油型乳状液。
  
  乳化剂都是表面活性剂,但不是所有的表面活性剂都能成为良好的乳化剂,只有在水中能形成稳定胶束的表面活性剂才具有良好的乳化分散能力。乳化剂应有适当的HLB值,例如非离子表面活性剂,其HLB值在8~18之间可形成油/水型乳液,在3~6之间则可形成水/油型乳液;乳化剂与被乳化物应有相似的分子结构,应能显著地降低被乳化物与水之间的界面张力;乳化剂应具有强烈的水化作用在乳化粒子周围形成水化层、或使乳化粒子带有较高电荷,以阻止乳化粒子的聚集。
  
  (三)分散作用
  
  将不溶性固体物质以微小的颗粒均匀地分散在液体中所形成的体系称为分散体或悬浮体,这种作用称为分散作用,能使分散作用顺利发生的表面活性剂称为分散剂。被分散的固体颗粒称分散相(内相),分散的液体称分散介质(外相)。乳化与分散这两种作用十分相似,其主要区别是乳状液的内相是液体,而分散液的内相是固体。
  
  表面活性剂必须具有三种作用才能成为良好的分散剂。首先,它必须具有良好的润湿性能,使液体充分润湿每一个固体颗粒、取代颗粒中的空气,进一步使固体颗粒碎裂成更小的晶体。其次,它必须能显著地降低固体—液体之间的界面张力,增加固体—液体之间吸附、相容的能力,使体系内存在的能量降低。最后,它必须以水化层或带电层的形式在固体颗粒周围形成机械强度较高的界面膜,以阻止固体颗粒间的聚集。
  
  对于被分散的固体,必须尽量减小其颗粒体积,其颗粒体积越小,越有利于表面活性剂对其润湿、分化、吸附,在其周围形成界面膜。例如分散染料,必须经过预先加工、研磨成2μm以下的微小颗粒,才能在分散剂的作用下形成比较稳定的悬浮体染色工作液。尽管如此,分散体仍是一种热力学不稳定体系,与乳状液相比,其不稳定因素更多、不稳定性更大,更易产生凝聚、分层现象,影响正常使用。因此,分散体工作液不宜存放时间太长,最好现用现配。
  
  (四)发泡作用
  
  气体分散在液体中的状态称为气泡,大量气泡聚集在一起形成的分散体系称为泡沫,能促使泡沫形成的能力称为发泡作用。被分散的气体叫分散相(内相),分散的液体叫分散介质(外相)。泡沫类似于乳状液和悬浮体,所不同的是内相为气体,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,能促进泡沫生成的表面活性剂称为发泡剂或起泡剂,能促使泡沫稳定存在的表面活性剂称为稳泡剂。
  
  形成的泡沫同样是一个热力学不稳定体系,容易因为气泡间液膜层产生排液现象和小气泡穿透大气泡的合并作用,而使气泡不断破裂、泡沫消失。若液体中存在表面活性剂,由于气泡表面能吸附表面活性剂分子,这些定向排列的分子在气泡表面达到一定程度时,气泡壁就成为一层坚固的薄膜,从而使气泡间不易发生合并;又由于表面活性剂在液体表面的定向排列,使液体的表面张力明显下降,并导致气泡间的内压差降低,因而排液速度减慢。表面活性剂的上述两方面作用,降低了气泡的破裂能力,有利于泡沫的形成和稳定存在。
  
  泡沫对于污垢的去除和悬浮有一定作用,染整加工中也有一些依靠发泡剂而完成的工艺,如泡沫染色、泡沫印花等新工艺。 返回上页

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