界面活性劑之原理及應用

 

 

作者:曾信彰(化學系四年級)                          指導教師:陳耀鐘教授

 

 

一、   界面活性劑之定義:

人類使用最早的界面活性劑俗稱肥皂,其化學簡式為RCOOMR:長鏈烷基,M:鹼鹽),所謂界面活性劑就是一個分子中同時含有長鏈烷基(如脂肪酸等)之親油基及足以使油性部份在水中分散或溶解之親水基的化學物質總稱。

界面活性劑必須具有下列基本性質:

(1)   表面吸附性。

(2)   表面面膜形成性及排列性。

(3)   表面張力降低性。

(4)   微胞 ( micell ) 形成性。

界面活性劑分子可分為親油基(lipophilic group)、連結基與親水基(hydrophilic group)三部分,溶於水後可視親油部分解離成陰離子、陽離子、兩性離子(因水溶液之pH而解離成陽或陰離子)或不解離成離子,而分為陰離子性界面活性劑、陽離子性界面活性劑、兩離子性界面活性劑和非離子性界活性劑等四大類。如下圖所示:


 


 


 

 

 

 


 

二、   界面活性劑之種類

1.陰離子性界面活性劑

皂類可以簡式RCOOM表示之,最簡單的分子是醋酸鹽(CH3COOM),鹼鹽除NaKCa外,尚有有機胺鹽。(見表一)。

Na皂皆為弱酸之強鹼鹽,例如醋酸鈉水溶液水解後成鹼性(pH = 9.4)。

相反的,酸三乙醇胺鹽是強酸之弱鹼鹽,其水溶液pH5.5。脂肪酸鹽為鹼皂乃因脂肪酸遠比醋酸更為弱酸,脂肪酸鈉水溶液水解時pH10~11

皂類之水解反應如下:

 

而當脂肪酸之碳數增加,則水解率亦上升;肥皂濃度增加時,水解率先降低再上升,游離脂肪酸則隨肥皂濃度之增而增加。

 

2.陽離子性界面活性劑

        典型的陽離子性界面活性劑為有機胺鹽類和第四級銨鹽類等,前者構造式如氯化銨,但其中最少有一個H原子被長鏈烷基所取代,長鏈烷基為鹼性,但其磺酸鹽水溶液却呈現弱酸性。後者除氮元素之第四級銨鹽外,尚包括磷、硫等元素與四個烷基鍵結後,以陰離子之Cl-Br-I-CH2OSO3-C2H5OSO3-等配位結合而成。

        純粹之第四級銨鹽應為近中性,具有極大之表面吸附、表面活性。與其他相同碳數基之陰離性、非離子性界面活性劑比較時,其水溶液最大,亦即此界面活性劑本身之HLB值大(親水性-親油性之平衡值)。再者,第四級銨氫氧化物具強鹼性,可利用為觸媒。

        而陽離子活性劑之一般應用方面,是在具有殺菌、防徽、殺蟲性者甚多。其他尚有適合於均染緩染劑、直接染料堅牢度增進劑、織物柔軟劑、防水劑、對於紡績之靜電防止劑、軟式洗濯劑、塑膠凝固液之噴嘴梗塞防止及溶液之澄清劑、硫化礦等之浮選劑、鋼之酸蝕抑制劑、橡膠加硫促進劑等。(見表二)。

 

3.非離子性界面活性劑

        前述之鹽類性除陰陽二型以外,尚有非鹽類性者,即非電離性界面活性劑。所謂非離子活性性劑,均為多價醇之誘導,其水溶液所具有之界面活性,曾被認為分子全體所發出者。

        代表性之非離子性界面活性劑如聚氧乙烯烷基醚〔RO-(CH2CH2O)n-H〕之水溶液為酸性(pH= 5~6)。但一般製品仍以調製成中性者為多。其他多元醇之脂肪酸如山梨糖脂肪酸酯,因山梨糖醇中有5個-OH基,其結合人之脂肪酸個數可自由調整,結合數愈少對水之親和性愈大,而結合之脂肪酸碳數,亦可由辛酸至硬脂酸任意選擇,所生之多元醇脂肪酸酯之HLB值可由低值至高值間變化。也就是可合成自油溶性至水溶性。

        而聚氧乙烷系、聚氧乙烯-聚氧丙烯系非離子性界面活性劑,會因聚合度之不同,水溶液開始完全透明溶解,但在一定溫度下會刻變濁的現象,亦即所謂的濁點(clouding point)。此乃因活性劑分子中氧化乙烯基水和現象改變所致,在加熱至一定溫度時,產生脫水和(dehydration)現象而使溶解性消失。

        非離子活性劑之一般應用在於合成高分子聚合合用乳化劑、可塑劑、金屬清淨劑、纖維度保持劑,纖維加工劑、醫藥化菻~基劑、潤滑劑,離型劑、電染色劑等。(見表三)。

 

4.兩離子性界面活性劑

        常見的兩離子性界面活性劑的構造類似胺基酸(RR´C(NH2COOH),即分子中有胺基和酸基,在酸性溶液中,分子中的胺基與酸作用而溶解;在鹼性溶液中,酸基與鹼中和而有水溶液性,因此純物質具有等電點。

        兩離子性界活性劑之主用途有洗髮精基劑、潤絲精基劑、柔軟劑(毛髮、纖維)、防袛秘央C(見表四)。

 

表一        陰離子性界面活性劑

·脂肪酸鹽

通稱:皂類(RCOOnMm

·烷基硫酸鹽

通稱:AS (ROSO3nMm

·烷基苯磺酸鹽

 ABS(硬型)

 LAS(軟型)

 

·聚氧乙烯基醚硫酸鹽

通稱:AES

     RO(CH2CH2O)nSO3mMl

·烷基磺酸鹽 通稱:SAS (R-SO3nMm

·聚氧乙烯烷基苯基醚硫酸鹽

·a-烯烴磺酸鹽

 通稱:AOS

·烷基磷酸鹽

·a-磺化脂肪酸鹽()

·聚氧乙烯烷基苯基醚磷酸鹽

       

表二        陽離子性界面活性劑

·第一~第三脂肪胺鹽

·第四級銨鹽

·三烷基苯甲銨鹽

·烷基吡啶鹽

·聚乙烯聚胺脂肪酸胺鹽

[R1CONH(CH2CH2NH)nCOR2]HX

 

表三        非離子性界面活性劑

·聚氧乙烯烷基醚

通稱:AE  RO(CH2CH2O)nH

·聚氧乙烯烷基苯基醚

·聚氧乙烯-聚氧丙烯醇

·聚氧乙烯脂肪酸酯

通稱:Myrj RCOO(CH2CH2O)nH

·三烷基胺氧化物

(弱陽離子性非離子性界面活性劑)

 

 

 

表四        兩離子性界面活性劑

· N,N-二甲基-N-烷基-N-羧基甲基

· N,N-二烷基胺基烯羧酸鹽

· N,N,N-三烷基-N-磺烯內銨鹽

· N,N-二烷基-N , N-雙聚氧乙烯硫酸酯內銨鹽

· 2-烷基-1-羧甲基-1-烴乙基異二氮二烯伍圜內銨鹽

三、   界面活性劑之應用

在界面化學研究之最大成就,是界面活性劑之發明及其應用。而界面活性劑之最重要特性,是可以減小表面(界面)張力,而產生濕潤、滲透、乳化、分散等作用。因之,可廣泛應用到各種工業。尤其是紡織工業方面,幾乎消耗界面活性劑總產量之半。原因是,紡織工業從頭到尾離不開界面活性劑。

1.紡織工業

a.       清潔處理:精練劑,去漿劑。

b.      減摩作用:種油劑,柔軟劑,平滑劑。

c.       上漿工程:滲透性,柔軟性。

d.      防止帶電:靜電防止劑。

e.       染色助劑:均染劑,緩染劑,分散劑,染料固定劑。

f.        完工處理:樹脂加工,柔軟處理,防縮處理,防火加工。

 

2.金屬工業

a.       表面清潔:酸洗抑止劑,脫油清潔劑。

b.      金屬保護:防蛌o,防袛砥C

c.       金屬加工:切削油,壓延油,延伸油。

d.      表面處理:電鍍光澤劑。

 

3.塗料、油墨、顏料工業

a.       乳化油漆。

b.      乳化聚合塗料。

c.       顏料之濕潤,分散劑。

d.      顏料之表面處理。

e.       印花油墨之乳化。

 

4.農藥工業

a.       乳化劑:殺蟲,除草劑,殺菌劑。

b.      分散劑,保護膠體。

c.       展著劑。

 

5.塑膠工業

a.       乳化聚合。

b.      合成樹脂之乳化:乳化塗料,纖維類之樹脂加工,紙張之表面處理,人造膠乳(latex)。

c.       防止帶電。

6.食品工業

a.       乳製品:牛乳,冰淇淋,奶油。

b.      油脂製品:沙拉醬,人造奶油,沙拉醬(salad dressing)

c.       其他:麵包,牛奶糖,巧克力,餅乾,蛋糕。

 

7.化菻~

a.       乳化產品:面霜,刮鬍膏,髮用乳膏,各種化菕]make-up)品。

b.      清絜用品:洗髮粉,洗髮精,牙膏。

c.       溶化製品:香水,洗濯劑(lotion)。

 

8.製紙工業

a.       滲透性:蒸煮助劑。

b.      分散性:紙漿分散劑,樹脂分散劑,上膠(sizing)。

 

9.皮革工業

a.       滲透性:鞣皮工程,脫色工程,染色工程。

b.        化:完工工程,染色工程。

 

10.清潔劑

a.       家庭用清潔劑。

b.      工業用清潔劑。

 

11.其他用法

a.       起泡劑,消泡劑(各種工業)。

b.      浮游選鑛法。

c.       土壤安定劑(土木工程及農業)。

d.      混凝土分散安定劑(土木工程)。

e.       殺菌劑、消毒劑。

f.        COM燃料(Coal and oil mixture)。

g.       天然及人造薄膜(含機能性膜及滲透膜,離子交換膜)。

h.       石油原油之第三級採油法。

 

 

參考文獻:

1. 王鳳英編繹,刈米孝夫原著,“界面活性劑的原理與應用”,民國八十二年六月二十五版,高立圖書有限公司。

2. 陳溫其編譯,三雲次郎原著,“肥皂與合成清潔劑”,民國五十一年七月初版,臺灣區肥皂工業同業公會。

3. 趙承琛博士編著,“界面科學基礎”,民國八十八年二月十八版,復文書局。