一篇读懂表面活性剂的结构、原理和应用

背景

表面活性剂是能降低液体（通常为水）表面张力以及与其他液体和固体间界面张力的物质。因此，它们对各类的界面接触都有重大影响，并影响润湿、相容性和起泡性等现象。表面活性剂存在于自然界中，存在于生活中的所有领域，并广泛应用于各类工业产品及添加剂中。  

表面活性剂的结构是怎样的？

表面活性剂不是一类单独的物质；它们可以具有完全不同的化学成分。它们的特征是由两部分组成的结构，具有亲水（亲水性）和亲油（疏水性/亲脂性）区域，即表面活性剂是两亲性的。在大多数情况下，亲水部分是小而短的链，疏水部分是长链，这就是为什么我们称之为分子的“头”和“尾”。事实上，这种尺寸比并不适用于所有表面活性剂；亲水基团也可以是长链的。

为什么表面活性剂能降低表面张力和界面张力

表面张力是由液体分子之间的吸引力（内聚力）引起的。在表面，这种力不会在所有方向上作用，这会导致沿表面的张力。油水界面的情况类似，因为相之间的吸引力（粘附力）较弱。

表面活性剂的化学分离结构使其在界面处聚集，并倾向于在此处保持稳定。亲水性头部面向水的本体相，而疏水性尾部面向外，或者在两相系统中朝向油相。表面活性剂分子将水分子从表面排挤出去，从而削弱该处的凝聚力——进而降低表面张力。

表面张力如何随表面活性剂浓度变化？

随着表面被表面活性剂逐渐覆盖，表面张力最初缓慢下降，随后下降速度越来越快，直至达到饱和状态。这是因为在吸附初期，吸附分子间的距离仍然较大，因此几乎不会发生分子间相互作用。表面张力的最大降幅出现在接近完全饱和的区域，此时任何额外的表面活性剂吸附都会对表面张力产生显著影响。在此区域，表面张力与浓度对数的依赖关系呈线性，且斜率达到最大值。

在本体相中超过一定浓度时，表面活性剂分子会在体相中自发聚集形成称为胶束的团簇。由于游离表面活性剂分子的浓度不再增加，表面不再发生吸附作用，表面张力亦不再降低。相应的过渡范围称为临界胶束浓度（CMC），这是表面活性剂的一个重要参数。胶束赋予表面活性剂诸多实用特性，例如其清洁效果。

表面张力持续降低，直到溶液内形成胶束

表面活性剂的用途是什么？

表面活性剂用于众多工艺，是各种工业产品的组成部分。根据其预期用途，表面活性剂有不同的名称。这些名称不是物质的分类；同一种表面活性剂可以执行不同的功能。

1.    洗涤剂（洗涤和清洁剂）

表面活性剂的清洁效果基于两种互补效应。一方面，降低的表面张力确保水不会收缩，而是更好地润湿表面，更有效地渗透纺织品。另一方面，胶束将油脂包裹在内部，并在水相中将其溶解。  

2.    乳化剂

乳液是油和水的混合物，不会立即分离，而是在一段时间后，有时会非常缓慢地分离。当用作乳化剂时，表面活性剂会降低界面张力，从而促进一定量的液体分裂成非常细小的液滴。由于表面活性剂分子稳定了液滴的油水界面，因此保质期也得以延长。

3.    润湿剂

表面活性剂用作润湿剂，广泛应用于需要使水溶液在固体表面充分铺展的场合，例如：

• 用于印刷油墨、油漆和油墨，以及各种涂料

• 电镀浴或蚀刻浴以及电解矿石加工

• 杀虫剂

• 用于机械制造的冷却剂/润滑剂

4.    分散剂

表面活性剂也是涂料和清漆等粉末分散体中许多配方的成分。作为分散剂，它们可以改善粉末润湿性并防止结块。

5.    发泡剂

液体泡沫的形成同样源于表面活性剂的表面活性特性。无论是作为沐浴添加剂、消防泡沫还是清洁泡沫：根据所需产品特性，适宜的表面活性剂作为发泡剂可确保泡沫形成速度快或慢、泡沫孔隙粗或细，以及泡沫衰减速度快或慢。 

如何量化表面活性剂的效果

用于分析表面活性剂的表面性质并研究其有效性的方法因表面活性剂使用的领域而异。

• 表面张力

表面活性剂降低表面张力的效率和程度通常通过力学法表面张力仪进行机械测量，通常使用Du Noüy环法或Wilhelmy板法。相关临界胶束浓度（CMC，见上文）的测定同样采用这些方法进行。

• 界面张力

环法和板法也用于研究两相界面，以评估乳化剂的有效性。或者，可以使用旋转液滴张力仪进行测量，该方法特别适合测量极微小的界面张力。

• 固体润湿

润湿剂的效果可通过接触角测量来评估。将液滴滴置于基材上，其弧度即可被量化测定

• 分散性

Washburn吸附法可反映粉末的接触角及其润湿性，因此被用于指导配制稳定的粉末分散体系。

• 泡沫形成

通过对起泡或搅拌过程中产生的泡沫量、衰减动力学、气泡结构及液体含量进行时间依赖性测量，可全面了解发泡剂的效能及所形成泡沫的特性。 

有哪些类型的表面活性剂，它们的用途是什么？

表面活性剂根据亲水基团的性质进行分类：

• 阴离子表面活性剂：含阴离子基团（如羧酸盐或磺酸盐）的化合物，常以碱金属盐形式存在。具有优良的起泡剂和清洁剂特性，特别适用于无溶剂脱脂；也常作为润湿剂使用，能显著降低表面张力。

• 阳离子表面活性剂：含阳离子基团的化合物，如季铵盐。具有优异的吸附性能（如对毛发和纺织纤维），故常见于织物柔软剂中。同时兼具抗静电和杀菌功效。

• 非离子表面活性剂：含非离子极性基团（如醇、醚或乙氧基化物）的化合物。适用于低泡应用及乳液形成；与阴离子表面活性剂不同，其对水硬度不敏感。

• 两性表面活性剂（也称为两性离子表面活性剂）：同时具有阴离子和阳离子基团的化合物，常见结构为羧酸盐与季铵盐基团。对皮肤特别温和，可与其他表面活性剂良好复配，同时兼具润湿剂和乳化剂功效。

表面活性剂的作用速度有多快？这个问题对动态过程意味着什么

表面活性剂分子不会突然降低表面张力。它们需要时间移动到表面（扩散）并在表面吸附；各个速度由扩散系数和吸附系数来控制。除了温度或浓度等外部条件外，这些速度还取决于表面活性剂分子的大小和空间结构。

表面张力是随时间变化的，这一事实对不断产生新表面的动态过程有重大影响。例如，在喷涂油漆或杀虫剂时，从形成新的液滴表面到与材料接触之间只有数毫秒的时间。如果表面活性剂反应太慢，此时表面张力可能仍然太高，润湿性可能很差。

为了量化时间因素的影响，使用气泡压力张力仪进行动态表面张力的测量。该测量记录了表面张力随表面年龄变化的过程，从而表征了表面活性剂在溶液中的动态行为。

使用气泡压力法的一系列测量：不同表面活性剂浓度下表面张力对表面年龄的依赖性

表面活性剂的作用是否仅限于水溶液？ 

大多数表面活性剂的应用针对的是水体系或水-油相界面。然而，作为两亲性分子，许多表面活性剂也能溶解于非极性有机液体中。在此环境下可形成反向胶束，其亲水部分朝向团聚体内部，从而能够结合极性物质。典型例证是超临界二氧化碳萃取工艺——借助表面活性剂，该介质同样能溶解极性物质。

相关仪器

Tensíío, SDT, DSA30R, DSA25E, DSA30E, DSA100E, DFA100 (+LCM/FSM), BP100