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表面活性劑性能形成、HLB值計(jì)算、關(guān)鍵作用及其應(yīng)用

來(lái)源: 玉珠隆生物 瀏覽 350 次 發(fā)布時(shí)間:2024-12-16

表面活性劑,也被稱作表面活性物質(zhì),是一種能夠顯著降低水表面張力的溶質(zhì)。這種物質(zhì)屬于一類特殊的有機(jī)化合物,其分子結(jié)構(gòu)具有親水和疏水兩個(gè)不同的部分。親水部分能夠與水分子相互作用,而疏水部分則傾向于避開水分子。這種分子結(jié)構(gòu)使得表面活性劑在水溶液中能夠在水與空氣的界面上形成吸附層,有效降低水的表面張力。具體來(lái)說(shuō),表面活性劑分子的親水極性基團(tuán)會(huì)朝向水分子,而疏水的非極性碳鏈或碳環(huán)則會(huì)朝向空氣,從而在界面上形成定向排列。這種排列導(dǎo)致表面活性物質(zhì)在界面上的濃度高于溶液內(nèi)部,因此,增加單位面積所需的能量比純水要小。一般來(lái)說(shuō),分子中非極性部分越大,其表面活性也越強(qiáng)。


表面活性劑可以根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)被分為兩大類:離子型和非離子型。在離子型表面活性劑中,進(jìn)一步可以細(xì)分為陽(yáng)離子型、陰離子型和兩性型表面活性劑。


表面活性劑的有效性


這是指表面活性劑能夠?qū)⑺谋砻鎻埩档偷降淖畹拖薅取:?jiǎn)而言之,如果一種表面活性劑能夠顯著降低水的表面張力,那么它就被認(rèn)為是更有效的。這種降低表面張力的能力也被稱作表面活性劑的有效值。

表面活性劑的效率


這是指在使水的表面張力降低到特定水平時(shí)所需的表面活性劑濃度。一般來(lái)說(shuō),如果一種表面活性劑能在較低的濃度下實(shí)現(xiàn)這一效果,那么它的性能就被認(rèn)為是更好的。


表面活性劑結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響


表面活性劑的性能,包括其效率和能力,與其分子結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系,并且這兩個(gè)性能指標(biāo)往往呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。


鏈長(zhǎng)對(duì)性能的影響:


當(dāng)表面活性劑分子中的疏水基團(tuán)(憎水基團(tuán))的碳鏈長(zhǎng)度增加時(shí),其在降低水表面張力方面的效率會(huì)提高,這意味著需要更少的表面活性劑就能達(dá)到相同的效果。然而,這種效率的提高可能會(huì)以犧牲其降低表面張力的能力為代價(jià),即在碳鏈變長(zhǎng)時(shí),表面活性劑可能無(wú)法將水的表面張力降低到很低的水平。


支鏈和不飽和程度對(duì)性能的影響:


如果疏水基團(tuán)中存在支鏈或者不飽和鍵(如雙鍵)的數(shù)量增加,這通常會(huì)降低表面活性劑的效率,因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)干擾分子在水表面的排列。盡管如此,這種結(jié)構(gòu)的變化可能會(huì)增強(qiáng)表面活性劑的能力,即它們能夠?qū)⑺谋砻鎻埩档偷礁偷乃健?


表面活性劑膠束的形成


膠束和臨界膠束濃度(CMC)的形成:當(dāng)表面活性劑在水中的濃度逐漸增加時(shí),它們首先在水的表面形成一層有序排列的單分子層。隨著濃度的進(jìn)一步增加,未被表面吸附的表面活性劑分子在溶液內(nèi)部開始聚集,它們的疏水基團(tuán)相互靠近,從而形成膠束結(jié)構(gòu)。


臨界膠束濃度(CMC)的定義:


表面活性劑開始形成膠束的最低濃度點(diǎn)被稱為臨界膠束濃度。這個(gè)濃度標(biāo)志著表面活性劑從單體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z束狀態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。


膠束的形態(tài)多樣性:根據(jù)表面活性劑的親水基團(tuán)的不同特性以及溶液的濃度,形成的膠束可以有多種形態(tài),包括棒狀、層狀或球狀等。


膠束形成對(duì)溶液性質(zhì)的影響:


當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到CMC時(shí),溶液的性質(zhì)開始偏離理想溶液的行為。這種變化在表面張力與濃度的關(guān)系曲線上表現(xiàn)為一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。超過CMC后,即使繼續(xù)增加表面活性劑的濃度,水的表面張力也不會(huì)進(jìn)一步降低,但溶液中的膠束數(shù)量和大小會(huì)繼續(xù)增加。


HLB值與表面活性劑的選擇


HLB(依凡,尼洛夫法)值是一種用于測(cè)量表面活性劑(也稱為表面活性劑)的極性度的指標(biāo)。依凡尼洛夫(HLB)值是一種常用的表面活性劑組合的量化指標(biāo),主要是用來(lái)確定表面活性劑的最佳組合。


HLB(依凡尼洛夫)值計(jì)算過程有以下四步:


第一步:計(jì)算組份的HLB值。


HLB值是用來(lái)衡量表面活性劑的極性度的指標(biāo),可以用來(lái)確定每種表面活性劑的組合,確定母液的形成與特性。每種表面活性劑都有其自身的HLB值,可以簡(jiǎn)單地通過手冊(cè)或者互聯(lián)網(wǎng)等方式獲得這個(gè)HLB值。


第二步:根據(jù)公式計(jì)算表面活性劑總體的HLB值。


通過以下公式可以計(jì)算表面活性劑的總體HLB值:


總體HLB值=∑[每種表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)x每種表面活性劑對(duì)應(yīng)的HLB值]


第三步:根據(jù)總體HLB值計(jì)算混合液體的表面張力


根據(jù)總體HLB值可以計(jì)算混合液的表面張力,公式如下:表面張力=20x總體HLB值(dyn/cm)


第四步:計(jì)算和結(jié)果報(bào)告


最后,將所有步驟的結(jié)果匯總在一起,就可以得出總體表面活性劑組合的HLB值和其對(duì)應(yīng)的表面張。


根據(jù)不同的應(yīng)用需求,我們可以根據(jù)HLB值來(lái)選擇最合適的表面活性劑。HLB值的不同范圍對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)用:


①當(dāng)HLB值在2到6之間時(shí),表面活性劑適合作為油包水型乳化劑,這種類型的乳化劑能夠?qū)⒂偷畏稚⒃谒小?


②當(dāng)HLB值在8到10之間時(shí),表面活性劑適合作為潤(rùn)濕劑,幫助液體更好地在固體表面鋪展。


③當(dāng)HLB值在12到18之間時(shí),表面活性劑適合作為水包油型乳化劑,這種類型的乳化劑能夠?qū)⑺畏稚⒃谟椭小?


表面活性劑的關(guān)鍵作用及其應(yīng)用


①潤(rùn)濕作用:表面活性劑通過降低液體表面張力和改變接觸角,實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕效果。


②洗滌作用:表面活性劑通過降低污垢與固體表面的粘附力來(lái)去污,理想的洗滌劑應(yīng)具備良好的潤(rùn)濕性、降低界面張力的能力、一定的起泡或增溶作用,以及在清潔后形成保護(hù)膜防止再污染。


③增溶作用:表面活性劑如油酸鈉能顯著增加非極性有機(jī)物(如苯)在水中的溶解度,這些有機(jī)物實(shí)際上是分散在膠束中,而非均勻溶于水。


④起泡作用:表面活性劑能形成強(qiáng)度足夠的液體薄膜包圍空氣,形成泡沫,用于選礦、滅火和清潔等,主要功能包括降低表面張力、增強(qiáng)泡沫膜的穩(wěn)定性和彈性,以及調(diào)節(jié)泡沫的表面黏度。


⑤乳化作用:表面活性劑能形成乳狀液,分為水包油(O/W)和油包水(W/O)兩種類型,分別以水和油為外相。


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