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文章来源:新宝机械网  |  2022-08-10

油墨助剂基本知识介绍(七)

十一、表面活性剂

表面活性剂的应用愈来愈广,因此,它的品种也已多至不可胜数的地步,在三十年代还只有数十种,至七十年代已达数干种之多。

可以毫不夸张地说,目前各行各业都巳离不开表面活性剂。油墨、涂料,颜料等有关工业使用表面活性剂,也已有很长的历史了。

(一)、定义

表面活性剂是指各种用途的各种化合物的总称,像乳化剂,发泡剂、润湿剂,洗涤剂等等,都是表面活性剂。

表面活性剂可以这样定义:一种物质,它溶解并集中在液体表面或液体和不相混液体(或固体)的界面。溶在液体组成中,或掺于粉状固体中能使之易于被液体润湿的,即谓表面活性剂。

简单地说,表面活性剂就是在液体-液体、液体-固体、液体-气体的表面或界面(一般说,物体相界面之间的张力,统称为界面张力,而特别把液体-气体相界面之间的张力叫表面张力)之间起作用的物质。将它以少量加于液体中后,能被吸附在液体表面,或水一油(或液一固)界面上,从而可降低液体的表面张力和界面张力,使生产工艺及产品质量得到大大改进和提高的一种助剂。

大多数有关表面活性剂的资料是谈含水系统的,一般是讲它们降低水的表面张力以及水溶物形成溶解性胶束的能力的。

表面活性剂是一种有机化合物,从分子结构看,有两种基团:一种是易在油中溶解;在水中难溶的基团-亲油基团(憎水基团-非极性),以长链烷烃为代表的原子团。另一种是易在水中溶解,在油中难溶的基团-亲水基团(憎油基团-极性),以羟基、羧基、胺基、硫酸酯、磺酸酯、醚基等为代表的原子团。

根据表面活性剂亲水基团和亲油基团的平衡(即H.L.B.值-Hydropbile-lipophileBalanc。)关系,表面活性剂制造者就可制出油溶性及水溶性各不相同的无数产品。

一般地说,表面活性剂虽在液体中能溶解,但其溶解度是不高的。它们具有平衡的极性-非极性结构,即有一部分分子是溶于极性液体中的,而另一部分分子则在非极性液体中。分子层定向集中在液体表面,故溶解部分的分子是在液体中,不溶解部分则在空气中。油酸在水面上的单分子层就有此种情况。如果将油酸的苯溶液置于水面,则苯蒸发后,油酸形成一单分子层,羧基团在水中而油酸基团则在空气中。如果将油酸铺在油面上,则会发生相反的定向作用。

比较一下油酸(C17H33COOH)和肥皂或油酸钠(C17H33COONa),就会发现有差别,它们之间非极性的油酸基团(C17H33COO-)是相同的。但钠比氢的极性更强,故皂溶于水,不溶于苯和油,而油酸则溶于苯和油而不溶于水。

表面活性剂在液体表面和液-固界面的极简单的定向作用图由于多少材料在实际利用中的磨损所受的压力都为变力,实际上表面活性剂的效果与极性-非极性部分的相对极性有关。而在很多情况下,表面活性剂层也不一定形成单层,只是分子的厚度不同而已,这取决于表面活性剂的用量及类型。

当然,也不是它的所有分子都是在界面的,它在溶液中与在界面之间的平衡,也取决于它的用量。当表面活性剂它具有极大的配置灵敏性的用量达到临界浓度时,就形成胶束,或整个液体中都是它的分子的定向基团。由于胶束能吸收难溶性分子,故对一般的难溶性分子来说,胶束是种 溶解剂 。图还指出了油在水中乳化体内的乳化剂的分子排列情况,有单层和多层。

如果分散相的液滴外面有较多层的乳化剂,则比只有一层的稳定性为好。这些胶束会增加水的稠度,并减少分散液滴的布朗运动,从而降低聚集倾向,使分散(乳化)更稳定。

表面活性剂的作用是相当多的,它们大致有乳化、破乳、发泡、稳泡、消泡、润湿、分散、净洗、柔软、匀染、抗静电、杀菌其性能优劣直接影响高铁线路的使用寿命、防锈、腐蚀、缓蚀、润滑、增溶、絮凝、解絮凝、防花浮等等。

(二)、分类

表面活性剂的分类方法很多,但常用的是按离子类型来分类的方法,这是指表面活性剂溶于水中时,能电离生成离子的叫离子型表面活性剂,反之,就叫非离子型表面活性剂。在离子型表面活性剂中,还要按生成的离子种类来分类,例如:

1.阴离子型。其活性组分是阴离子(阴电荷),它能吸引其它大分子的阳电荷而在表面留下阴电荷,从而使水系统具有良好的润湿性。非极性部分是脂肪酸碳氢链;阴离子及与之相连的阳离子则是极性部分。这类活性剂溶于水时,与其憎水基相连的亲水基是阴离子。

故如当极性的颜料分散在非极性的连结料中时,极性部分就作为一个单分子层吸附在颜料表面上,使颜料带阴电荷,而非极性部分则向外伸人连结料铅笔裤中,形成相互吸引的状态。这个过程就是界面张力降低的过程。在颜料颗粒外围的电双层也可有降低絮凝的倾向。皂类、碱金属、铵盐、长链脂肪酸等都是属于阴离子型的。

2.阳离子型。情况与阴离子型的相反,阳电荷吸引阴电荷,这最适合于颜料分散在连结料中的情况。颜料如果是一个阳电荷,则它可以很好地分散在非水系统中。这类活性剂溶于水时,与其憎水基相连的亲水基是阳离子。

脂肪酸季铵盐类或其硫酸盐,醋酸盐类都属于阳离子型。

3.两性表面活性剂。所谓两性表面活性剂,广义的说,即同时具有阴离子、阳离子或同时具有非离子和阳离子,或非离子和阴离子的,有两种离子性质的表面活性剂的总称。但习惯上所说的两性表面活性剂是指第一类,即由阴,阳两种离子所组成的表面活性剂,它的结构中同时存在着两种性质相反的离子,因此引人注意。烷基二甲基内铵盐类属于此范畴。

4.非离子型。这一类是属于在水中不电离的表面活性剂。它们没有剩余电荷,分子中一部分亲水,一部分憎水。聚乙氧基化任酚属于非离子型。

5.其它-高分子型。这一类表面活性剂具有比较高的分子量,其中阴离子和阳离子是彼此平衡的,或至少是近似的。因此,它虽然具有较强的离子性质,但并不像真的阴离子或阳离子表面活性剂那样具有吸附作用。

(三)、亲水憎水的平衡关系

表面活性剂在水中的溶解性大小,即所谓亲水性大小(即H.L.B.值),是非常重要的,因此,亲水基的亲水性和憎水基的憎水性之比,是关系到表面活性剂性能的一项重要指标。因为一种溶剂(或液体)对于一种化合物的吸引还是排斥,及其在界面的集结效应,取决于分子中亲水和憎水基团的相对极性。

表面活性剂的水溶性及其性能之间的关系,是以乳化化学为基础的,根据乳化情况,有人提出了分类的数据系统,即所谓亲水(Hydrophile)和憎水(Lipophile)平衡 H.L.B.值。

1.乳化作用。将油和水一起放于容器中,则油在上层(比重小),水在下层,在分界线处形成一层明显的接触膜,即使在强力搅拌混合后,慢慢还会分成两层。如在其中加入一些表面活性剂(肥皂,洗涤剂等),再经搅拌混合后,就成为另一种的情况了,油成微小粒子被分散在水中,呈乳状液,这种现象叫乳化。这种乳状液静置后也很难分层。

如果加大乳化剂的用量,并减少油量,则油就溶在水中,呈透明溶液,这种现象就叫增溶。

油水两相所以不相溶,是因为它们的表面张力不相同所引起的(如水的表面张力为72.8达因/厘米(20℃),油的表面张力约为33达因/厘米)。原来油和水的接触面上有相互排斥和各自尽量缩小其接触面积两种作用。因而,只有当油、水分离成两层时,两下面济南实验机厂就为大家介绍1下高强螺栓实验夹具有哪些?者的接触面为最小,才最稳定。如果进行搅拌混合,油便变成微小粒子分散于水中,这样就增大了油和水的接触面积,使体系处于不稳定状态。一俟搅拌停止,混合作用消失后,它们又把接触面积恢复到最小的状态,分成两层。加入乳化剂后就会发生乳化和增溶现象,这是因为表面活性剂是由具有易溶于油的亲油基和易溶于水的亲水基所组成的,这两个基团不仅具有防止油

水两相互相排斥的功能,而且还具有把油水两相连结起来的功能。

乳化有两种方法,一种叫分散法,一种叫缩合法。后者是指甲苯在水中的所谓乳液。它是先将苯溶于乙醇中,然后再将这种混合物倒入水中而成的,以此法所成的乳化液滴的直径约为一微米。它没有工业意义。

习惯上是用的分散法。

所谓乳化,就是一种液体在另一种不相混(溶)液体中被分散成细小粒子的情况。在分散了的各粒子之间包复以一层薄膜,以防止粒子的凝集,使乳液更趋稳定。这种使乳液稳定,防止粒子混纺凝集,包在粒子外面被粒子吸附的一层物质就叫乳化剂。

乳液是由连续相(亦称外相-分散媒)和分散相(亦回转气缸称内相-分散质)及乳化剂三者形成的系统(体系)。

乳液又可分为水包油型(O/W型-OilinWater-即油在水中型)和油包水型(W/O型-WaterinOil-即水在油中型)两相。所谓O/W型,即水为连续相,油被分散成细小颗粒,所谓W/O型,即油为连续相,水被分散成细小颗粒。

习惯上说的乳化,一般大多指水包油型。因为水包油型水是外相,可以冲入较多的水,使体系成稀乳液。

然而,油墨工业还是采用油包水型的比较多。因为水为外相时,不仅体系不能长期存放,而且对油墨的基本结构概念及应用情况看;也不相适应。

乳化液的形成,除了两相组分的比例适当外,机械搅拌作用也是不可忽视的,而乳化剂的作用却更有其独到之处。亲水性强的乳化剂可制成O/W型乳液,亲油性强的乳化剂可以制成W/O型乳液。

表面活性剂的亲水性和亲油性的平衡关系以H.L.B.值的数字来表示。数值高则亲水性强,数值低则亲油性强。

乳化剂的乳化作用是降低分散相与分散媒之间的界面张力(这个作用可大大减少机械搅拌的力量),首先使它们成为易混合状态,然后再在机械搅拌作用下,成为乳化体。最后,由于界面定向吸附,使分子发生同侧相连,在油滴的周围,生成一定程度的强保护膜,以防止粒子的再凝集,使乳液呈稳定态。

为了制得稳定的乳液,一般应根据乳化剂的H.L.B.值、化学结构等情况进行选择。通常采用不同H.L.B.值或两种以上的乳化剂适当拼用时,效果更为理想。当然,采用强力搅拌,使粒子分布均匀也是必要的。此外,乳化时的工艺及条件亦甚为重要,例如乳化剂的加入方法,添加保护性胶体,温度、粘度、浓度、油水比、电解质、酸碱度,耐药品性等的影响,对乳化作用都是密切送料机相关的。例如,虽然有乳化剂存在,当体系的浓度变化到某一点时,其粘度即急剧下降,此时,连续相与分散相能互相转换,O/W型和W/O型之间,乳液就有转相的可能。

诚然,乳液也可由于下列手段而破坏:机械搅拌、加热、冷却、化学处理(如添加电解质、酸、碱,溶剂,破乳剂等)。

2.H.L.B.值的计算。H.L.B是以0 20为范围值的,它的基础是石蜡(完全没有亲水基)的H.L.B.值=0,而完全是亲水基的聚乙二醇的H.L.B.值=20。这就是说表面活性剂的H.L.B.值越大,则就越亲水,反之,H.L.B.值越小,就越亲油。

从憎水基来考虑,当表面活性剂的亲水基不变时,憎水基部分越长(即分子量越大),则水溶性越差(例如十八烷基的就比十二烷基的难溶于水)。因此,憎水性可用憎水基的分子量来表示。

对于亲水基,情况就复杂了,因为它的种类很多,故不可能都用分子量来表示。当然,从聚乙二醇型非离子表面活性剂来考虑,确实是分子量越大(即环氧乙烷含量越多),其亲水性就越大。因此,非离子表面活性剂的亲水性,可以用其亲水基的分子量大小来表示。

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