特殊类型表面活性剂.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Gemini表面活性剂,双座子表面活性剂是一类创新结构的表面活性剂。它的结构中含有两个相同的亲油基和两个相同的亲水基，连接方式是一个长烷基、一个离子基团、一个间隔基团、另一个长链烷基、另一个离子基团。,间隔基,亲水基,亲水基,疏水基,疏水基,形式上像是两个相同的单链表面活性剂由一个间隔基团联结而成，形状,如同连体孪生婴儿，英文名为Surfactants（双子座）。,国际Gemini研究成果,确立了Gemini分子结构特征，是由两个或两个以上亲水基团和两个（或两个以上）疏水基团及一个间隔基团联结而成。,从分子结构上揭示了Gemini表面活性剂具有高表面活性，并具有很低的Krafft点和良好的水溶性，决定了在表面活性剂家族中特殊地位，正成为21世纪胶体和界面科学领域地研究焦点。,自1991年提出Gemini表面活性剂概念后，研究工作逐步展开，大量新产品的报道出现在1993年以后。,Gemini 合成路线主要为四种：一是由二环氧化物联结的双烷基双阴离子亲水型表面活性剂；二是由酒石酸联结的双烷基双阴离子亲水型表面活性剂；三是由双烷基双非离子型Gemini表面活性剂；四是双烷基双阳离子季铵盐（间隔基可以是刚性、柔性或带支链的）Gemini表面活性剂。,国内研究,1997年，华东理式大学肖进新首先发表了孪连表面活性剂的综述。,（肖进新,罗妙宣.孪连表面活性剂J.自然杂志,1997,19(6):335-338）,1999年赵剑曦发表了新一代表面活性剂Gemini突破综述论文，对Gemini的概念和优异性能进行了阐述。,（赵剑曦.新一代表面活性剂：GeminisJ.化学进展,1999,11(4):348-357）,2000年以来，有关Gemini的合成、性质及应用的研究报道开始增加。,2002年华东理工大学的双烷链阳离子表面活性剂成功申报国家自然科学基金，得到资助。,Gemini表面活性剂的性能特征,带有柔性间隔基团，Gemini表面活性剂具有高的表面活性，同时多具有很低的Kcrafft点和很好的水溶性。,Gemini表面活性剂更易吸附在水溶液表面，某些季铵盐型Gemini在水溶液内部更易于自聚，且倾向于形成更低曲率的聚集体。,Gemini均具有良好的润湿能力，且润湿速度较快（与具有相同亲水基的传统表面活性剂比较）。,Gemini胶团增溶油的能力较传统表面活性剂显著增强。,Gemini型表面活性剂普遍具有优良的起泡能力和泡沫稳定性。,Gemini表面活性剂联结基团中的氧原子有降低表面活性剂复配体系协同效应的作用。,阴离子型Gemini表面活性剂,最早工业化是烷基二苯醚磺酸盐，属刚性间隔基团联结，由直链或环状脂肪醇硫酸酯与二苯醚缩合而成。1958年DOW化学公司首先开发成功。该工艺包括烷基化和磺化两部分,。,首先C,6,C,16,的,烯烃与二苯醚在三氯化铝催化下生成烷基二苯基醚，烷基化度为11.3。,磺酸磺酸型Gemini表面活性剂,其次，烷基二苯醚在惰性溶剂（如CH,2,Cl,2,)存在下用氯磺酸进行磺化反应，二磺酸的含量大于80%。,DOW公司生产的双烷基二苯醚双磺酸盐型Gemini表面活性剂产品稳定性好，易生物降解，抗氧化性和抗热分解性优良，降低表面张力能力强，水溶性好，Krafft点较低。,用柔性间隔基团联结成阴离子Gemini，主要通过双环氧类化合物与长链醇反应，首先得到两个疏水基链和两个羟基的化合物，然后再由羟基改性制得不同的阴离子型Gemini。其中Y表示O、OCH,2,CH,2,O、O(CH,2,CH,2,O),2,。,以,磺酸基脂肪酸为原料，聚氧乙烯基作为间隔基团，可制得,磺酸型Gemini产品。,其中R=C,10,H,21,、C,16,H,33,，聚乙二醇的相对分子量为600、800、1500.,磺酸型Gemini具有优异的表面活性。单组分体系中，磺酸型Gemini表面活性远高于传统表面活性剂,与传统阳离子或非离子表面活性剂的二元复配体系的临界胶束低，胶团的组成比高，分子间相互作用强烈，协同效应显著。,小结,Gemini型表面活性剂高效，较低的CMC和表面张力值，且黏度随浓度急剧增加。,Gemini表面活性剂的高效和较低CMC使它成为许多物质的增溶剂。,Gemini表面活性剂分子因其在表面堆砌紧密，作为润滑剂使用。,能在很宽的浓度范围内形成泡囊和液晶相，这种性质应用广泛，其中一个是制备中孔分子筛。把Gemini表面活性剂作为模板，得到具有某种立体几何构型和严格限定孔径尺寸的材料。,生物表面活性剂（Biosurfactants）,生物表面活性剂是一种新兴的表面活性剂，利用生物技术提取一种两亲结构的物质，主要由发酵和酶法途径生产这种物质。,20世纪70年代后期，首次在一定条件下培养微生物，在其代谢过程中分泌一些具有一定表面活性的代谢产物 称为生物表面活性剂。,化学合成的表面活性剂会受到价格、原材料、产品性能等因素的影响，同时在生产和使用过程中常常会带来严重的环境污染问题及对人体的毒害。当今生物技术的发展，利用生产技术生产活性高、具有特效的表面活性剂，将有效避免这些问题。,生物表面活性剂的特点,化学结构复杂庞大，表面活性高，乳化能力强；,能完全生产降解，不会对环境造成污染和破坏；,生物相容性好，可广泛用于食品，药品和化妆品；,分子结构类型多样，有特殊官能团，作用专一；,原料来源广泛，廉价，生产过程环保性好；,生产成本较低。,成为一种很有发展前途的新型表面活性剂。,化学结构分类,中性类脂,甘油单酯、双酯,聚多元醇酯,其他蜡酯,磷脂/脂肪酸,糖脂,脂肪氨基酸,脂多肽,脂蛋白质,含氨基酸类脂,脂多糖,脂糖蛋白复合物,聚合型,全脆,膜载体,Fambriae,特殊型,生物表面活性剂,糖脂系生物表面活性剂,糖系生物表面活性剂为生物表面活性剂的主要品种，包括糖脂、糖脂醇和糖苷。主要介绍鼠李糖脂和甘露藓糖醇脂。,鼠李糖脂,鼠李糖脂的制取,用微生物生产表面活性剂是20世纪80年代后期生物技术领域发展起来的一个新课题，大体分二步制取较纯生物表面活性剂,第一步：筛选到一只假单胞菌（,Pseudomonas sp,），用石油烃或植物油培养，在较佳发酵条件下，它能分泌出种鼠李糖脂生物表面活性剂，其亲水部分由分子的鼠李糖组成，疏水部分由分子,羟基癸酸组成，在发酵液中以种结构鼠李糖混合物形式存在。这就是发酵法生产鼠李糖。,第二步：产物提取。（占产品总成本的6070%）。对鼠李糖的提取，先采用树脂吸附，再经离子交换色谱提纯，将液体蒸发和冷冻干燥可得到纯度为90%的成品，收率达60%。,还有一种是超滤。鼠李糖脂用超滤膜分离时，采用YM-10滤膜收率为92%。,应用,鼠李糖脂在多种工业中作乳化剂，它对正构烷烃有优良的促进降解的性能，如在炼油厂废水中的活性污泥中加入鼠李糖脂，污泥中的正构烷烃在d 内可完全被分解，鼠李糖还有一定的抗菌、抗病毒和抗病原体性能。,甘露糖赤藓糖醇酯,甘露赤藓糖醇酯（MEL)为一种新型生物表面活性剂，是一种非离子型表面活性剂。疏水基为酰基链，亲水基是糖基。,结构：,甘露糖赤藓糖醇酯的制取,MEL主要是霉菌、酵母在各种碳源，特别是疏水基持（甘油三酯或烃类）中培养产生的。,最佳分离条件：硅胶粒烃200目，洗脱剂为三氯甲烷丙酮混合溶剂，配比分别是7：3（MEL-A），6：4（MEL-B），洗脱速率为0.25mL/min，洗脱剂用量为400mL/gMEL，可将MEL全部洗脱出来。,MEL的表面活性,MEL粗品纯化后，对MEL进行表面性质测定，发现MEL具有较低的cmc，MEL的cmc比Span-20等化学合成的糖脂类低很多，这是由于其化学结构复杂，脂肪酸基和烷醇基较多，因而单个分子占据的空间比化学合成的表面活性剂大。,MEL的表面张力略低于LAS，与Tween-20差不多，界面张力比Tween-20小，比LAS大，接触角较小，粘度小，说明其有较好的润湿性和流动性，,MEL具有好的乳化性，无毒，易生物降解和抗微生物等特性。,糖脂表面活性,由表可见，海藻糖脂表面活性很好，有较好的乳化能力，可在三次采油中使用。,槐糖脂有较低界面张力，如在糖的羟基上进行乙氧基化，可改进产品乳化性能，用于化妆品、医药、食品、农药等产品中。,将槐糖脂加入沥青中能促使沥青析出。在石油烃发酵中加入槐糖脂衍生物，能够刺激微生物对烃的提取，并使微生物更好地生长。,氨基酸系生物表面活性剂,氨基酸系表面活性剂是一类表面性能良好的表面活性剂，乳化作用良好，去污力强，与其他表面活性剂的相容必很好，具有优良的抗微生物性能，能抑制,E.coli,、,P.aeruginosa,等细菌及真菌的生长。,氨基酸系表面活性剂在合成洗涤剂、化妆品、食品工业及制药等方面应用。,结构：,合成,酶法合成。酶法是一种离体生产方法，条件相对粗放，反应具有专一性，反应条件温合，选择性强、产物易回收。,高分子生物表面活性剂,与低分子生物表面活性不同，相对分子量在数千以上，用生物技术制取的具有双亲结构且具有较好乳化功能的物质，称作高分子生物表面活性剂，包括脂多糖，脂多糖复合物，蛋白质-多糖复合物。,现介绍两种高分子生物表面活性剂（脂多糖和蛋白质高分子表面活性剂）,脂多糖,脂多糖是多糖与脂肪酸酯化产物，是一种有乳化功能的高分子生物表面活性剂。,从热带假丝酵母细胞避壁上可分离得到一种脂多糖复合物。脂中脂肪酸部分主要是C,12,、C,14,、C,16,、C,18,饱和脂肪酸以及不饱和脂肪酸的混合物。,脂多糖是一种表面活性聚合物，其结构如下：,脂多糖的分子式为(C,66,N,3,O,20,H,105,),n,，它的相对分子量约为9.9,10,5,。,脂多糖能使稠油乳化在水中，这对重油运输和将重油乳化后作为燃料以节约能源有重要的意义我。,利用它对烃类的独特乳化能力可有效地去除石油污染物，清洗石油贮槽和油库。,蛋白质高分子表面活性剂,利用酶的催化活性，可以使明胶等水溶性蛋白质与氨基酸的烷基酯化反应生成蛋白质系的高分子乳化剂（EMG）。其结构中水溶性蛋白质是亲水基，而氨基酸的长脂肪链烃基是亲油基，反应示意图如下：,+,酶,蛋白质（明胶）,氨基酸海藻酯,亲水基,亲油基,EMG,EMG的性能,从表中可以看出，由明胶与L-氨基酸基酯在酶催化作用下生成的蛋白质系高分子乳化剂性能丝毫不比其他合成表面活性剂差。,其中PAD、PAL、PAM分别是明胶与氨基酸烷基酯（烷基分别具有10个、12个、14个C原子）反应生成的EMG。,EMG是一种多功能乳化剂，不仅乳化性能好，而且有优良的抗菌性，对多种革兰氏阳性菌有很好的杀灭和抑制作用，适合做食品防腐剂。,小结,生物表面活性有其特殊的性质，在石油化工方面的着广泛的应用，如在MEOR技术国应用。,清洗贮油罐、油轮贮仓、输油管道等非常有效，用量少，仅需油垢的千分之一到万分之一。,处理炼油厂废水。,在纺织、医药、化妆品、食品等工业领域的重要的应用。,生物表面活性剂是由微生物代谢分泌出来的，不同于化学合成的表面活性剂，化学合成的表面活性剂具有一定的毒性且不易被生物降解，而生物表面活性剂是完全可以生物降解且基本无毒。,元素表面活性剂,有机氟系表面活性剂,有机硅系表面活性剂,有机硼系表面活性剂,氟系表面活性剂,氟表面活性剂指在表面活性剂的碳氢链中，氢原子全部被氟原子取代的全氟表面活性剂。,特点：三高、二憎。“三高”即高表面活性、高耐热稳定性、高化学惰性。“二憎”即既憎水又憎油。,亲水基的结构可将,氟表面活性剂,分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型表面活性剂四种，其亲水基的结构与烃系表面活性剂没有什么不同。所以，,氟表面活性剂,的特性是由碳氟链决定的。由于氟的电负性大，故CF键具有较大键能，所以碳氟链化学稳定性和热稳定性都很高。此外，氟原子的半径比氢原子大，能将碳原子完全遮盖起来；另外，范德华力小，即分子间力小。由于这些原因导致了碳氟链具有下述特性：由于碳氟键的键能大，其热稳定性和耐,试剂,性能,好，毒性亦小；由于分子间力小，其表面张力小，既憎水又憎油，摩擦系数小，不黏着；折射率小；绝缘,性能,高。,由于,氟表面活性剂,具有乳化分散、降低表面张力、耐酸碱、润滑、抗静电、消泡等一系列优异,性能,，故广泛,应用,于氟树脂的乳状液聚合、医药化妆品的乳状液稳定、照像乳状液的改善，以及用作灭火剂、塑料调匀剂、油墨润湿,性能,改进剂、电镀液的,添加剂,、腐刻助剂、电镀烟雾防止剂、纤维表面,处理剂,、聚合物薄膜的抗静电剂、,消泡剂,、药物对植物和害虫的渗透剂、胶黏剂、树脂表面改性剂等方面。,应用（例如.）,机场油库着火，是一场灾难，只要使用两个灭火器，将含 氟表面活性剂制成的灭火剂喷向火焰，几秒钟之内即在油面上形成一层水膜，将火扑灭。,在电镀铬池中，使用含氟表面活性剂，可在铬池表面上形成泡沫层，抑制的毒的铬酸雾产生，且铬酸对含 氟表面活性剂无侵蚀作用。,在,制备,乳液上光剂时使用,氟表面活性剂,，可制得免擦亮上光剂，只要将其喷洒于固体表面，即能形成一层光亮薄膜。,氟表面活性剂,的制法,(1)电解氟化法 电解氟化法可,制备,各种离子型和非离子型的表面活性剂。,在低电压、大电流下，于氢氟酸介质中对烷基磺酸、烷基羧酸进行电解，可得到全氟烷化合物，然后可进一步制得各种类型的表面活性剂：,然后，C8F17S02F、C7F15COF经碱解可分别制得C8F17S03Na和C7F15COONa阴离子表面活性剂。,也可由它们制取,阳离子表面活性剂,：,还可以制得,非离子表面活性剂,：,(2)六氟丙烯的氧化和聚合法该法是以氟丙烯为起始物，经氧化、聚合反应等,制备,氟表面活性剂,：,若将全氟聚氧丙烯直接水解，并以碱中和，则得到全氟羧酸盐阴离子表面活性剂，反应如下：,此外，还可以由四氟乙烯聚合成五聚四氟乙烯，再由五聚四氟乙烯制取各种不同类型的表面活性剂。,氟表面活性剂,间的协同效应,(1),氟表面活性剂,与碳氢链表面活性剂复配,氟表面活性剂,具有降低表面张力的能力，但不能降低水油界面张力，为改进其水溶液的润湿,性能,，需加入具有良好降低水油界面张力的碳氢链表面活性剂。为此，常常将,氟表面活性剂,与碳氢链表面活性剂复配使用。,阴离子,氟表面活性剂,与阳离子,氟表面活性剂,复配一般将阴离子表面活性剂与,阳离子表面活性剂,加以混合，由于它们不相容而发生沉淀，失去表面活性。但将阴离子,氟表面活性剂,和阳离子,氟表面活性剂,混合在一起，不但不发生上述现象，而且其水溶液的表面张力较仅含有一种,氟表面活性剂,时的表面张力还要低。,硅表面活性剂,以含SiOC、SiC或SiSi键的基团为疏水基，以聚氧乙烯链、羧基、酮基或其他极性基团为亲水基构成的表面活性剂称为硅表面活性剂。硅表面活性剂有阴离子型、阳离子型和非离子型三种。,1阴离子型硅表面活性剂,阴离子型硅表面活性剂可由卤代烷基硅烷出发制取，反应如下：,硅表面活性剂的表面活性与,氟表面活性剂,相当，比一般表面活性剂的表面活性高得多，具有优良的降低表面张力的,性能,和润湿、乳化能力。,硅表面活性剂还有良好的乳化,性能,。硅表面活性剂对人体无毒，不刺激皮肤，对黏膜的刺激性也很小，不伤害眼角膜。,在聚氨酯泡沫塑料生产中，硅表面活性剂用作,乳化剂,，能将聚氨酯泡沫体系的各原料组分乳化成均匀的分散体系，以利于反应顺利进行，它还起促进成核的作用，即促进气泡形成，气泡形成后还有稳泡作用。,在石油生产中，硅表面活性剂用作原油,破乳剂,。,在纺织工业中，硅表面活性剂用作织物喷染的,消泡剂,、棉织物疏水整理剂、织物柔软整理剂，以及织物抗静电整理剂等。,此外，硅表面活性剂还可用作玻璃表面防雾剂、照相显影液的,消泡剂,、燃料油和烃类溶剂的,消泡剂,、涂料,增稠剂,、脱模剂、多色涂料的色料扩散剂、地板光亮剂的,添加剂,，以及各种目的,润湿剂,、去垢剂和起泡剂等,硼表面活性剂,硼表面活性剂无毒、沸点高，具有阻燃性、杀菌性，可用作气体干燥剂、润滑油、压缩机工作介质和防腐剂；还可用作聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸甲酯的抗静电剂、防滴雾剂，各种物质的分散剂和乳化剂、杀菌剂等。,