Kenmerken van de moleculaire structuur van Oppervlakteactieve stoffen

Oppervlaktespanning en oppervlakteactieve stoffen

Oplossingen die positief adsorberen in een waterige oplossing verlagen de oppervlaktespanning van water, terwijl oplossingen die negatief adsorberen de oppervlaktespanning van water verhogen.

Oppervlakteactieve materialen (surface active materials),: een grote groep stoffen die positieve adsorptie kunnen veroorzaken in een waterige oplossing en zo de oppervlaktespanning van water aanzienlijk kunnen verlagen. Bijvoorbeeld ethanol, propionzuur, natriumdodecylsulfaat, enzovoort.

De aard van dergelijke stoffen om de oppervlaktespanning van water te verlagen wordt oppervlakteactiviteit (oppervlakteactiviteit) genoemd; dienovereenkomstig kan geen positieve adsorptie produceren die de oppervlaktespanning van water niet kan verlagen wordt niet-oppervlakteactieve stoffen genoemd, zoals anorganische zouten, glucose enzovoort.

Oppervlakteactieve stoffen (surfactants): in de oppervlakteactieve stoffen, is er een klasse van stoffen in een zeer lage concentratie kan de oppervlaktespanning van water aanzienlijk verminderd, maar wanneer de concentratie verhoogd tot een bepaalde waarde, zal de oppervlaktespanning niet langer dalen of zeer langzaam, mensen noemen deze klasse van oppervlakteactieve stoffen oppervlakteactieve stoffen (surfactants), zoals natriumdodecylsulfaat, dodecyltrimethylammoniumbromide en nonylbromide. Oppervlakteactieve stoffen, zoals natriumdodecylsulfaat, dodecyltrimethylammoniumbromide en nonylfenolpolyoxyethyleen(9)ether en andere stoffen.

Moleculaire structuur van oppervlakteactieve stoffen

De eerste oppervlakteactieve stoffen die door mensen werden gebruikt waren natriumzouten (of kaliumzouten) van vetzuren, beter bekend als zeep.

Vroeger mengden mensen plantaardige en dierlijke vetten en grasas in een waterige oplossing en verhitten dit om zeep te maken.

Later, met de vooruitgang van de chemische industrie, natronloog (NaOH), mensen door de alkalische verzeping van vetten en oliën om zeep te produceren.

In de jaren 1920 en 1930 leidde de Eerste Wereldoorlog tot een tekort aan vetten en oliën. Om zeepvervangers te ontwikkelen, ontstonden in Duitsland synthetische oppervlakteactieve stoffen, zoals alkylbenzeensulfonaten, vetalcoholsulfaten, enz. Deze oppervlakteactieve stoffen hebben gemeenschappelijke moleculen.

Deze oppervlakteactieve moleculen hebben een gemeenschappelijke moleculaire structuur, dat wil zeggen dat de moleculen zowel hydrofiele als lipofiele groepen bevatten, bijvoorbeeld, de hydrofiele groep in zeep is -COONa, en in natriumalkylbenzeensulfonaat is de hydrofiele groep -SO3Na, en de lipofiele groepen zijn allemaal lange alkylketens.

Tegenwoordig wordt dit soort molecuul amfifiele molecuul genoemd, waarin de hydrofiele groep ionische amfifiele molecuulstructuur is die erg lijkt op lucifers, het balgedeelte is hydrofiele groep, het steelgedeelte is alkylgroep, is lipofiele groep.
Zoals weergegeven in Figuur 1

Figuur 1 Schematisch diagram van het bal-en-stokmodel van oppervlakteactieve stoffen en hun gerichte opstelling op het grensvlak tussen water en lucht (olie).

Door de hydrofiele groep hebben de moleculen een bepaalde oplosbaarheid in water.
Door de lipofiele groep hebben dit soort moleculen een zekere oplosbaarheid in olie.

Wanneer deze moleculen in contact komen met water, heeft de hydrofiele groep in het molecuul een sterke hydratatie met watermoleculen en leidt dit tot oplossen, terwijl de lipofiele groep in het molecuul een sterke neiging heeft om uit het watermilieu te ontsnappen door het gebrek aan affiniteit met watermoleculen, en deze twee diametraal tegenovergestelde effecten maken de moleculen verrijkt in het water/lucht grensvlak of het water/olie grensvlak, met de hydrofiele groep in de waterfase en de lipofiele groep in de luchtfase of de oliefase, in het grensvlak. georiënteerde opstelling, zoals getoond in Fig. 1.

Het gecombineerde resultaat is een positieve adsorptie van de oppervlakteactieve stof in een waterige oplossing, wat resulteert in een aanzienlijke daling van de oppervlaktespanning van water of de spanning op het grensvlak tussen olie en water.

De moleculaire structuur van oppervlakteactieve stoffen heeft één ding gemeen, het molecuul bestaat uit twee delen: het ene deel is oplosmiddelminnend, het andere deel is oplosmiddelminnend.
Het ene deel is pro-oplosmiddel, het andere deel is oplosmiddelhinderend (hydrofoob).

Omdat oppervlakteactieve stoffen meestal in waterige oplossingen worden gebruikt, worden de twee delen van de oppervlakteactieve stof vaak hydrofiele groep (polaire deel) en hydrofobe (hydrofobe) groep (apolaire deel) genoemd, hydrofobe groep wordt ook lipofiele groep genoemd.
Zoals getoond in Fig. 2 (a).

Figuur 2 Schematische weergave van de moleculaire structuur van oppervlakteactieve stoffen (a)
Grootte van CH3 (CH2)11SO4 (b)

Neem als voorbeeld een veelgebruikte oppervlakteactieve stof, natriumdodecylsulfaat [CH3(CH2)11SO4Na].
In waterige oplossing wordt CH3(CH2)11 SO4Na geïoniseerd tot CH3(CH2)11SO4 en Na+, en het is CH3(CH2)11SO4, bekend als het oppervlakteactieve ion, dat de belangrijkste rol speelt.

Het is samengesteld uit de apolaire CH3(CH2)11-, wat een hydrofobe groep (lipofiel) is, en de polaire SO4, wat een hydrofiele groep is. Na+, aan de andere kant, wordt het tegenion genoemd. De grootte van CH3(CH2)11SO4 wordt getoond in Fig. 2 (b).

Deze specifieke structuur van oppervlakteactieve stoffen wordt amfifiele structuur genoemd (de hydrofiele groep is hydrofiel en de hydrofobe groep is lipofiel). Oppervlakteactieve stoffen zijn dus een klasse amfifiele verbindingen.

De hydrofobe groep van een oppervlakteactieve stof bestaat meestal uit een koolwaterstofgroep met een lange keten, gedomineerd door een koolwaterstofketen, terwijl de hydrofiele groep (polaire groep, kopgroep) een grote verscheidenheid aan groepen heeft, waaronder geladen ionische groepen en ongeladen polaire groepen.

 

Alle moleculen van oppervlakteactieve stoffen hebben een amfifiele moleculaire structuur. In termen van waterige oplossing moeten de hydrofiliciteit van de hydrofiele groep en de lipofiliciteit van de lipofiele groep in principe op elkaar zijn afgestemd om een significante oppervlakteactiviteit te hebben, een van beide kanten is te sterk of te zwak zal de amfifiele moleculen van oppervlakteactiviteit significant verzwakken.

Als het aantal koolstofatomen lager is dan 8, is de hydrofiliciteit te sterk, bijvoorbeeld mierenzuur, azijnzuur, propionzuur, boterzuur hebben een amfifiele structuur, maar hebben alleen oppervlakteactiviteit, kunnen geen oppervlakteactieve stoffen zijn.

De hydrofobe keten van een oppervlakteactieve stof in algemene zin moet groot genoeg zijn, meestal meer dan 8 koolstofatomen (er is geen strikte limiet).

Als het aantal koolstofatomen daarentegen hoger is dan 20, is de lipofiliteit te sterk, is de oplosbaarheid in water erg klein en kan het geen typische oppervlakteactieve stof zijn. In het geval van zeep worden vetzuren bijvoorbeeld goede oppervlakteactieve stoffen wanneer hun koolstofatomen tussen 8 en 20 liggen.

 

Basisfuncties van oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen zijn functionele fijnchemicaliën.

 

Er zijn twee basisfuncties van oppervlakteactieve stoffen:

 

De eerste is

 

Adsorptie aan het (grens)oppervlak, waarbij een adsorptiefilm wordt gevormd (over het algemeen een monomoleculaire film).

 

De tweede is

 

Zelf-polymerisatie in de oplossing, waarbij vele soorten moleculair geordende assemblages worden gevormd.

 

Vanuit deze twee functies worden verschillende andere

toepassingsfuncties.

 

Adsorptie van oppervlakteactieve stoffen aan het oppervlak resulteert in een verlaging van de oppervlaktespanning en een verandering in de oppervlaktechemie van het systeem.

 

De oppervlakteactieve stof heeft dus de functies schuimen, afschuimen, emulgeren, demulgeren, dispergeren, uitvlokken, bevochtigen, spreiden, penetreren, smeren, antistatisch en bacteriedodend.

 

Oppervlakteactieve stoffen polymeriseren zichzelf in de oplossing om verschillende vormen van moleculair geordende assemblages te vormen, zoals micellen, anticolloïden, blaasjes, vloeibare kristallen enzovoort. Deze moleculair geordende assemblages vertonen een grote verscheidenheid aan toepassingsfuncties.

De meest basale hiervan is de oplossende (ook wel solubiliserende) functie van micellen.

 

Op basis van het oplossend effect van micellen en andere moleculair geordende assemblages zijn functies afgeleid zoals micelkatalyse, vorming van micro-emulsies en gebruik als afstandsreactiemedia en microreactoren, dragers van geneesmiddelen enzovoort.

 

De reinigende functie van oppervlakteactieve stoffen is ook grotendeels gerelateerd aan het oplossende effect van micellen op olie.

 

De grootte van moleculair geordende samenstellingen van oppervlakteactieve stoffen of de dikte van geaggregeerde moleculaire lagen ligt dicht bij de nanometerschaal, wat een geschikte plaats en omstandigheden kan bieden voor de vorming van ultrafijne deeltjes met een "quantumgrootte-effect".

Daarom kunnen moleculair geordende assemblages van oppervlakteactieve stoffen worden gebruikt als sjabloon (sjabloonfunctie) voor de bereiding van ultrafijne deeltjes (bijv. nanodeeltjes).

 

De speciale structuur van moleculair geordende assemblages maakt ze optimaal voor het modelleren van biofilms.

Moleculair geordende assemblages kunnen ook herschikt worden tot geavanceerde geordende structuren (supramoleculaire structuren), waarvan de oplossingen nieuw en complex fasegedrag of ongewone reologische eigenschappen, optische eigenschappen, chemische reactiviteit enzovoort vertonen. Ze hebben dus andere speciale toepassingsfuncties.

Principes van de toepassing van oppervlakteactieve stoffen in detergentia

Toepassing van oppervlakteactieve stoffen op traditionele gebieden

Oppervlakteactieve stoffen hebben een reeks superieure eigenschappen zoals bevochtigen, emulgeren, dispergeren, oplossen, schuimen en afschuimen, penetreren, wassen, antistatisch, bacteriedodend, enz. Ze hebben een breed scala aan toepassingen op traditionele civiele gebieden zoals wasmiddelen, cosmetica, producten voor persoonlijke hygiëne, enz., maar ook op industriële en technologische gebieden zoals textiel, voedsel, medicijnen en pesticiden, verf en coatings, bouw, minerale flotatie, energie, pulp en papier, leerlooierijen en andere industrieën.

De laatste jaren verandert de ontwikkeling van hoge en nieuwe technologie met de dag, en oppervlakteactieve stoffen met hun unieke functies in nanotechnologie, milieubescherming; nieuwe materialen, biowetenschappen en andere high-tech gebieden worden onmisbare producten.

Toepassingsprincipe van oppervlakteactieve stoffen in detergentia

Detergenten zijn chemicaliën voor dagelijks gebruik die zijn samengesteld uit oppervlakteactieve stoffen, detergenten en hulpstoffen om vuil van het oppervlak van voorwerpen te verwijderen en het doel van schoonmaken en reinigen te bereiken.

Wasmiddelen die momenteel veel gebruikt worden in de civiele sector omvatten voornamelijk wasmiddel en wasverzachter voor het reinigen van kleding, wasmiddel en afwasmiddel voor het reinigen van servies, fruit en groenten, vetverwijderaar voor de keuken, toiletpotreiniger voor het reinigen van toiletten en andere belangrijke categorieën.

Oppervlakteactieve stof is het hoofdingrediënt van detergent, dus detergent en oppervlakteactieve stof hebben naast een uitstekend was- en ontsmettingsvermogen ook een goed bevochtigings-, schuim-, emulgatie-, dispersie- en oplosbaarheidsvermogen.

Vroege wasmiddelen gebruikten vaak één enkele oppervlakteactieve stof, zoals natriumalkylbenzeensulfonaat. Tegenwoordig gebruiken wasmiddelen echter meestal complexe oppervlakteactieve stoffen, zoals een anionisch/anionisch complex of een anionisch/nonionisch complex.

Door het synergetische effect tussen de mengsels van oppervlakteactieve stoffen hebben de detergentia soms een goede detergerende werking bij lagere gehaltes aan oppervlakteactieve stoffen.

Het ontsmettingsproces van detergentia en het bijbehorende mechanisme zijn kort geïntroduceerd. De kern van het proces is om het vuil van het oppervlak van het te reinigen object te scheiden door de fysisch-chemische werking van oppervlakteactieve stoffen en de mechanische en waterige werking van de waterstroom, en door de waterstroom te laten meevoeren.

De adsorptie van de oppervlakteactieve stof aan het oppervlak van het vuil en het substraat is de sleutel, en dit leidt tot de volgende reeks basisacties.

(1) Penetratie en bevochtiging

Tijdens het wasproces adsorberen oppervlakteactieve moleculen aan het oppervlak van het artikel en het vuil, waardoor de grensspanning tussen het medium (meestal water) en het oppervlak van het artikel en tussen het medium en het oppervlak van het vuil afneemt, zodat het medium tussen het oppervlak van het artikel en het vuil kan dringen en in het inwendige van het artikel kan doordringen. Deze actie wordt de bevochtigingspenetratie van het detergens genoemd.

Als de wasvloeistof het artikel niet goed kan bevochtigen, is er geen goed was- en ontsmettingseffect.

Het bevochtigende penetrerende effect van de detergentoplossing vermindert niet alleen de aantrekkingskracht tussen het oppervlak van het voorwerp en het oppervlak van het vuil, maar vermindert ook de aantrekkingskracht tussen de vuildeeltjes, die in fijne deeltjes kunnen worden gebroken en in het medium kunnen worden verspreid wanneer de juiste externe kracht wordt uitgeoefend.

Afbeelding

(2) Emulgeren en dispergeren

In het wasproces wordt de olie met behulp van de fysische en chemische effecten van oppervlakteactieve stoffen en mechanische agitatie geëmulgeerd tot een O/W-emulsie. De meeste waterige oplossingen van detergentia met goede prestaties hebben een lage oppervlaktespanning en olie/water-interfaciale spanning.

In de lagere interfaciale spanning op hetzelfde moment, de oppervlakteactieve stof in de olie / water-interface naar een bepaalde sterkte van de interfaciale film te vormen, kan de aggregatie van olie kralen te voorkomen, bevorderlijk is voor de stabiliteit van de emulsie, zodat de olie vlekken zijn niet gemakkelijk om zich af te zetten op het oppervlak van de goederen weer. De lagere oppervlaktespanning bevordert de emulgering van vloeibaar vuil en is daarom bevorderlijk voor de verwijdering van vloeibaar vuil.

Tijdens het wasproces wordt het vloeibare vuil natuurlijk niet direct opgelost in het medium, maar onder invloed van de oppervlakteactieve stof wordt het eerst "opgerold" en vervolgens onder invloed van de waterstroom losgemaakt van het oppervlak van het voorwerp, geëmulgeerd en in suspensie gebracht in het medium.

 

Afbeelding

(3) Oplosbaar effect

Wanneer de concentratie van de oppervlakteactieve stof hoger is dan de kritische micellenconcentratie (cmc), worden micellen gevormd in de oplossing. Sommige onoplosbare of slecht oplosbare stoffen in het waterige medium diffunderen in de micellen, waardoor hun oplosbaarheid in het medium aanzienlijk toeneemt.

 

Afbeelding

Naast emulgeren is het oplossen van olie door micellen mogelijk de andere belangrijkste manier om vloeibaar vuil van vaste oppervlakken te verwijderen.

Niet-polaire oliën worden over het algemeen opgelost in de apolaire kern van de micellen, terwijl polaire oliën kunnen worden opgelost in het gebied met de polaire groep van de micellaire schil, afhankelijk van hun polariteit en moleculaire structuur; in het geval van amfifiele oliën wordt de polaire groep van het oliemolecuul "verankerd" aan het oppervlak van de micel, terwijl de apolaire koolwaterstofketen in de micellaire kern wordt geplaatst.

Er is aangetoond dat wanneer de oppervlakteactieve stofconcentratie hoger is dan cmc, de toename in detergentie zeer beperkt is, zodat oplosbaarheid geen belangrijke factor is in het wasproces.

Echter, in het lokale wasproces (zoals kleding plaatselijk insmeren met zeep of andere detergenten schrobben, evenals het wassen van het gezicht en de handen met zeep, etc.), is de hoeveelheid detergens groot, de oppervlakteactieve stof concentratie is zeer hoog, op dit moment zal de oplosbaarheid van olie in de micellen het belangrijkste mechanisme van olieverwijdering zijn.

(4) Schuimend effect

Detergent vermindert de interfaciale spanning tussen het medium en de lucht, zodat de lucht kan worden gedispergeerd in het medium en de vorming van bellen. Tegelijkertijd is de oppervlakteactieve stof in de luchtbel oppervlak van een vaste laag van directionele rangschikking van de film te vormen, om de stabiliteit van het schuim, dat is schuimen, zeepbel stabilisatie te handhaven.

Hoewel het schuim en het wassen effect heeft geen overeenkomstige directe relatie, maar het kan adsorberen het vuil is verspreid, zodat het verzameld in het schuim, en vuil aan het oppervlak van de media-oplossing.

Echter, in de industriële wasproces of familie wasmachine wasproces, het ontstaan van schuim geeft de indruk dat het niet schoongespoeld, de noodzaak om het aantal spoelen te verhogen, zodat de machine wassen is vaak laag-schuim type wasmiddel.