表面活性剂基础知识（十）

赢在优势 2021-03-23

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新型表面活性剂

传统的表面活性剂主要是以碳氢基团为疏水基构成的简单两亲结构，其定义也是以较低浓度时水的表（界）面张力显著降低为唯一衡量标准。随着合成表面活性剂和助剂的大规模生产和应用，消除表面活性剂引起的环境污染的呼声日趋高涨，表面活性剂的环境友好、可降解等方面的研究不断深入，表面活性剂的性质、作用（如表面活性、生物活性、药学活性等）也不断派生出一些新的理解范畴。表面活性剂的概念修饰也随之有所改变，不再绝对以溶剂表（界）面张力的显著降低作为是否是表面活性剂的唯一衡量尺度。例如，高分子表面活性剂一般降低水的表界面张力的能力都较低，并没有明显的临界胶束浓度，但却具有许多传统表面活性剂不具备的功能（如保水作用、增稠作用、成膜作用、黏附作用等），一般也归为表面活性剂的范畴。

目前通常认为，只要在较低浓度时能显著改变溶剂的表（界）面性质或与此相关、由此派生的性质的物质都可以划归表面活性剂范畴。由此定义的表面活性剂的结构特点仍可用传统表面活性剂的棒状图描述，所包括的表面活性剂的类型却有了较大扩展，如：

1、根据疏水基可以分为氟系表面活性剂、硅系表面活性剂、硫系表面活性剂、硼系表面活性剂等；

2、根据来源的不同可分为生物表面活性剂、反应型表面活性剂、天然及天然物改性表面活性剂等；

3、根据结构特征改变产生了冠醚表面活性剂、Gemini表面活性剂（含有两个极性头的连体表面活性剂）；

4、根据分子量的改变产生了高分子表面活性剂等；

5、根据应用性能不同，又新派生出絮凝剂、成膜剂、靶向示踪载体、防水剂、防油剂、防污处理剂、高效消泡剂、极压抗磨剂、防雾剂、油品抗菌剂、抗腐蚀剂及阻燃剂等；

6、根据功能不同，分为孪生表面活性剂、双头型表面活性剂、分子叉型表面活性剂等。

新型表面活性剂的分类如上图[1]所示。

图1 新型表面活性剂分类

常见的新型表面活性剂有：

1. Gemini表面活性剂

图2 Gemini 表面活性剂的结构示意图

Gemini表面活性剂可视作由两个同一（或者几乎同一）的两亲成分，在其头基或靠近头基处由间隔基团通过化学键将两亲成分联结而成。其分类方法纷杂。根据间隔基团的不同，可分为刚性基团（如苯基）、柔性基团（如聚亚甲基、聚氧乙烯基、聚氧内烯基、甘油基—CH₂CH(OH)CH₂—等）或杂原子（—O—、—NH—、—S—)等联结；根据Gemini表面活性剂的极性头的亲水性质不同，分类为阴离子型Gemini、阳离子型Gemini、非离子型Gemini；根据疏水链分为碳氢链型、碳氟链型以及等长链、不等长链、饱和链、不饱和链等。本文根据极性头的亲水性质来分类，其分类方法大致如下：

图3 Gemini 表面活性剂分类

2. 有机硅表面活性剂

传统表面活性剂为两亲结构的物质，疏水基由碳氢链组成，称为碳氯表面活性剂。而元素表面活性剂不同于传统表面活性剂，分子中含有氟、硅、磷、硼等元素且具有某种特定功能的表面活剂，可认定为元素表面活性剂，或称为特种表面活性剂。常见的元素型表面活性剂有有机氟系表面活性剂、有机硅系表面活性剂以及有机硼系表面活性剂。

有机硅系表面活性剂属于特种表面活性剂。与传统碳氢表面活性剂相似，其疏水基含有硅元素，可分为硅烷基型（即硅-碳连接）与硅氧烷两类。有机硅系表面活性剂中疏水基团的结构对表面张力的影响主要有如下五点：

① 硅原子取代碳原子的位置对表面张力有一定的影响，硅原子取代碳原子的位置离亲水基团越远，表面张力越小。

② 对于聚硅烷疏水基团，硅取代数为1或大于1，表面张力变化不大。

③ 对于聚硅氧烷疏水基团，硅取代数在2~5之间，其环氧乙烷加合物具有最佳表面张力。

④ 疏水基有无侧链及环氧乙烷加成数的大小对表面张力无明显影响，主要影响临界胶束浓度、分散性及润湿性。

⑤ 聚硅氧烷系与聚硅烷系表面活性剂的乳化性能比较，在乳化硅油时，降低系统表面张力的能力没有多大的差别。在低浓度下，聚亚甲基硅烷系表面活性剂更好些；在浓度较高时，硅原子取代数又较大时，聚硅氧烷系活性剂乳化能力就低于硅烷系活性剂。

有机硅表面活性剂有极其广泛的用途，可用作聚氨甲酸酯泡沫塑料的稳泡剂、洗涤剂、消泡剂，造纸、印染、食品、制药及石油破乳等行业的快速消泡剂，玻璃纤维与增强塑料的偶联剂，染料和颜料的分散剂，合纤的柔软整理剂、杀菌剂以及玻璃器皿、汽车、家具的上光剂，其他应用领域正在进一步开发。

有机硅系表面活性剂是国外20世纪70年代开发的一个新品种。美国道康宁公司开发了有机硅季铵盐产品用作纺织品整理剂，我国自20世纪80年代以来，先后有上海树脂厂、山东大学、中国纺织大学、成都有机硅研究中心、湖南轻工研究所等单位开发与美国道康宁公司PC-5700相近的产品。随着有机硅材料的推广应用，有机硅系表面活性剂的研制、生产和应用必将得到迅速发展。

3. 生物表面活性剂

生物表面活性剂是微生物或植物在生长过程中，分泌出具有两亲结构的化合物，其可以吸附于界面、改变界面的性质。按照亲水基的类别，分为以下几种：糖脂系生物表面活剂，酰基缩氨酸系生物表面活性剂，磷脂系生物表面活性剂和其他生物表面活性剂。

生物表面活性剂的特性是：微生物的代谢产物；较低的临界胶束浓度；低毒甚至无毒；生物相容性好；具有较高的起泡性[2,3]。利用生物表面活性剂进行原油污染修复，提高石油回收率以及应用到食品、医药和生物工程等方面都成为研究的热点[4]。

【参考文献】

[1]谢亚杰，王伟，刘深. 表面活性剂制备技术及分析测试. 北京：化学工业出版社. 2006.

[2] Mohanram R，Jagtap C，Kumar P．Isolation，screening，and characterization of surface-active agent-producing，oil-degradingmarine bacteria of Mumbai Harbor[J]．Marine pollution bulletin，2016，105(1)：131-138．

[3] 王岩峰．生物表面活性剂产生菌的分离及其产物性质的研究[J]．广东化工，2016，43(12)：85-87．

[4] LIU Zhi-feng，ZENG Gung-ming，ZHONG Hua，et al．Production and characterization of biosurfactant from Bacillus subtilis CCTCC AB93108[J]．Journal of Central South University，2010，17(3)：516-521