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表面张力与表面活性剂——深度解析

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:而降低水溶液表面张力的理想方法,就是在染整工作液中合理使用表面活性剂。只有同时具备这两个特点,才可称为表面活性剂。图1-2三类物质表面张力曲线图3.表面活性剂的分子结构特征表面活性剂的分子结构都有着共同的特点,即表面活性剂分子都是由非极性的疏水基和极性的亲水基两部分构成。因此,表面活性剂具有既亲油又亲水的两亲性质。表面活性剂的分子结构示意如下,其形状像一根火柴,火柴棒表示疏水基,火柴头表示亲水基。

表面张力与表面活性剂——深度解析

1.表面张力

任何物质内部都存在着分子间作用力,由于分子间作用力大小的显著差异,使得自然界中的各种物质主要以气、液、固三种形态存在,而气、液、固这三相物质在相互接触时,就会产生气—液、气—固、液—液、液—固、固—固五种界面。在形成界面的两相物质之间,由于它们各自内部存在的分子间作用力与两相界面处的分子作用力不同,会使其中一相产生表面积收缩现象,这种能使某物质表面积发生收缩的分子间作用力被称作界面张力。习惯上将物质与气相组成的界面叫作表面,因此,与气相有关的界面张力习惯上称为表面张力。

图1-1 液体表面和内部分子受力情况

下面以液—气两相表面为例。如图1-1所示,液相内部的分子受到其周围分子的作用力是对称的,大小相等、方向相反,其合力为零,分子可在液相内部自由移动。而处于液体表面上的分子除受到来自液体内部分子的作用力之外,还受到来自气体的分子间作用力,使得液体表面处分子所受到的合力不为零,并产生一个合力方向指向液体内部的总作用力。在此力的作用下,液体表面的分子总有自动向液体内部迁移的倾向,并导致液体表面发生自动收缩。这个能使液体表面自动收缩的作用力,就是该液体的表面张力。

在日常生活中,经常可以看到许多现象,例如:草叶上的露水总是珠状、水龙头滴下的小水珠总是保持球形等,这都是由于水的表面存在着较大的表面张力的缘故。

染整加工要使用大量的水作为中间载体和染化料的溶剂。由于水存在较大的表面张力,它会妨碍水及染化料向纤维内部的渗透、扩散,影响染整加工过程的顺利进行。因此,必须采取措施来降低或消除水溶液的表面张力,保证染整加工过程正常进行。而降低水溶液表面张力的理想方法,就是在染整工作液中合理使用表面活性剂

2.表面活性剂的定义

把各种物质以不同浓度配制成水溶液,并测定它们的表面张力,从而可将各种物质水溶液表面张力与该物质浓度的关系归结为三种类型,如图1-2所示。(www.xing528.com)

由图1-2可知,第一类物质如肥皂、合成洗涤剂等(图1-2中曲线1),在水溶液浓度很低时,就能使溶液的表面张力急剧下降,它们对溶剂(水)具有良好的表面活性,我们把这类物质称作表面活性剂(Surface Active Agent,简称SAA)。因此,表面活性剂可被定义为:使用很少量就能显著降低溶剂(一般为水)的表面张力或两相间界面张力的一类物质。由上述定义可知,表面活性剂必须具备两个突出特点:一是用量少,二是表面张力下降效果最著。只有同时具备这两个特点,才可称为表面活性剂。第二类物质如乙醇醋酸等(图1-2中曲线2),虽然也能使水溶液的表面张力有一定程度的降低,也具有一定的表面活性,但由于其用量大、降低效果不显著,故一般不称它们为表面活性剂。而第三类物质如食盐、烧碱等无机物(图1-2中曲线3),不仅不能降低水的表面张力,反而会使水溶液的表面张力略有上升,它们不具有表面活性,称为非表面活性物质。

图1-2 三类物质表面张力曲线图

3.表面活性剂的分子结构特征

表面活性剂的分子结构都有着共同的特点,即表面活性剂分子都是由非极性的疏水基和极性的亲水基两部分构成。因此,表面活性剂具有既亲油又亲水的两亲性质。表面活性剂之所以具有许多优异的表面活性功能,正是因为它具有这种独特的分子结构。

例如:硬脂酸皂(C17H35COONa)就具有两亲结构,其疏水基为C17H35—,亲水基为—COO-Na。表面活性剂的分子结构示意如下,其形状像一根火柴,火柴棒表示疏水基,火柴头表示亲水基。

当然,许多表面活性剂的分子结构并非都如此简单,诸如亲水基分布在疏水基两端、疏水基含有支链、分子结构中含有多个亲水基团等更加复杂的表面活性剂分子,也可表示为:

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