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非離子表面活性劑

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非離子表面活性劑是分子中含有在水溶液中不離解的醚基為主要親水基的表面活性劑,其表面活性由中性分子體現出來。非離子表面活性劑具有很高的表面活性,良好的增溶、洗滌、抗靜電、鈣皂分散等性能,刺激性小,還有優異的潤濕和洗滌功能。可應用pH值範圍比一般離子型表面活性劑更寬廣,也可與其他離子型表面活性劑共同使用,在離子型表面活性劑中添加少量非離子表面活性劑,可使該體系的表面活性提高。非離子表面活性劑按照親水基的結構可以分為聚氧乙烯型、多元醇型、烷醇酰胺型、聚醚型、氧化胺型等。 [1] 
中文名
非離子表面活性劑
外文名
nonionicsurfactant;non-ionicsurfaceactiveagent;non-ionics
提    要
親油基團與離子型
發    展
極為迅速
類    別
表面活性劑
含    義
分子中含有在水溶液中不離解的醚基為主要親水基的表面活性劑

非離子表面活性劑基本簡介

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非離子表面活性劑是較晚應用於生產中的一類表面活性劑。但自20世紀30年代開始應用以來,發展非常迅速,應用也非常廣泛,很多性能超過離子表面活性劑。隨着石油工業的發展,原料來源豐富,工藝不斷改進,成本日漸降低,其產量佔表面活性劑總產量的比重越來越高,逐漸有超過其他表面活性劑的趨勢。 [2] 
應用的非離子表面活性劑的親水基,一類主要是由聚乙二醇基即聚氧乙烯基構成,另外一類就是以多醇(如甘油、季戊四醇、蔗糖、葡萄糖、山梨醇等)為基礎的構成的。 [2] 
由於非離子表面活性劑在溶液中不是以離子狀態存在,所以它的穩定性高,不易受強電解質存在的影響,也不易受酸、鹼的影響,與其他類型表面活性劑能混合使用,相容性好,在各種溶劑中均有良好的溶解性,在固體表面上不發生強烈吸附。 [3] 

非離子表面活性劑分類

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聚乙醇型非離子表面活性劑根據疏水基的種類可分為長鏈脂肪醇聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰胺和聚醚類等。 [3] 

非離子表面活性劑長鏈脂肪醇聚氧乙烯醚

長鏈脂肪醇分子中羥基上的氫是活潑氫原子,環氧乙烷是能取代氫原子的活潑化合物,它們很容易發生反應而加成聚合為醚。
實際上環氧乙烷的加成是逐漸進行的,首先加成1個環氧乙烷分子,繼而加成上第2個第3個等。當加成上10~15個後,則顯現出最佳的洗滌能力。常用的長鏈脂肪醇有月桂醇油醇、棕櫚醇、硬脂醇、環己醇、萜烯醇等。這類表面活性劑穩定性高,生物降解性和水溶性均較好,具有良好的乳化、潤濕、滲透、分散和增溶的能力。常用於衣料用洗滌劑、洗髮香波浴用香波中。 [3] 

非離子表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚

烷基酚與環氧乙烷起加成反應,得到烷基酚聚氧乙烯醚,常用的酚有辛基酚、壬基酚等。如採用壬基酚時,與4分子環氧乙烷加成的產物不能溶於水;與6分子或7分子環氧乙烷加成的產物在室温下即可完全溶於水;與8~12分子環氧乙烷加成的產物具有良好的潤濕、滲透和洗滌能力,乳化力也較好,可用作洗滌劑和滲透劑;與15個以上分子環氧乙烷加成的產物無滲透、洗滌的能力,而乳化、分散力較好,可用作乳化分散劑、勻染劑和緩染劑。烷基酚聚氧乙烯醚的化學穩定性高,即使在高温下也不易被強酸、強鹼破壞,且其生物降解性差。因此它的需要量呈逐漸減少的趨勢,主要用在金屬的酸性洗滌劑和鹼性洗滌劑中,在家用洗滌劑用品中使用量較少。 [3] 

非離子表面活性劑脂肪酸聚氧乙烯酯

脂肪酸與環氧乙烷在催化劑存在下進行加成反應生成脂肪酸聚氧乙烯酯,脂肪酸的碳原子數越多,溶解度越小,濁點越高,但含羥基或是不飽和的脂肪酸例外。所加成的環氧乙烷分子數目對酯的影響與脂肪醇聚氧乙烯醚時的情形相似,如碳原子數為12~18的脂肪酸接上12~15分子的環氧乙烷有很好的洗滌力,而低於此數如接上5~6分子的環氧乙烷則具有油溶性乳化力。這種表面活性劑的滲透力、洗滌力較脂肪醇和烷基酚的聚氫乙烯醚類差,主要用作乳化劑、分散劑、纖維油劑和染色助劑等。 [3] 

非離子表面活性劑聚氧乙烯烷基胺

烷基胺與環氧乙烷起加成反應可生成2種反應產物,與上述3種非離子表面活性劑相似,當聚氧乙烯烷基胺分子中環氧乙烷的加成數少時,則不溶於水而溶於油,但由於它具有有機胺的結構,故可溶於酸性水溶液中。所以聚氧乙烯烷基胺同時具有非離子和陽離子表面活性劑的一些特性,如耐酸不耐鹼,具有殺菌性能等。當環氧烷加成數多時,其非離子性增大,在鹼性溶液中不析出,即在鹼性溶液中也表現出良好的活性。
由於非離子性增大,陽離子性相對減小,而表現出與陰離子表面活性劑的相容性,故可與其復配使用。由於這種表面活性劑兼有非離子和陽離子的性質,故常用作染色助劑,也常用於人造絲生產以增強再生纖維絲的強度,還可保持噴絲孔的清潔,防止污垢沉積。 [3] 

非離子表面活性劑聚氧乙烯烷基醇酰胺

烷基醇酰胺與環氧乙烷起加成反應生成聚氧乙烯烷基醇酰胺。這種非離子表面活性劑具有較強的起泡和穩泡作用,故常用作泡沫促進劑和泡沫穩定劑,其中有的具有良好的洗滌力、增溶力和增稠作用。這類表面活性劑較早的產品是月桂酰二乙醇胺,它是由月桂酸和二乙醇胺在氮氣流保護下加熱進行合成反應制得的,月桂酰二乙醇胺不溶於水,當再與1分子二乙醇胺結合形成複合物時,才具有良好的水溶性和洗滌力,可用作洗滌劑中的穩泡劑,也可用作乳化劑和除鏽劑及乾洗皂等。這種表面活性劑的穩定性和耐水解性優於脂肪酸聚氧乙烯酯。 [3] 

非離子表面活性劑聚醚類

聚醚類產品主要是以丙二醇為起始劑,與各種不同相對分子質量的聚氧丙烯一聚氧乙烯共聚而成的一系列產品的總稱,聚醚的相對分子質量可達數千以上,顯著高於普通的表面活性劑的相對分子質量,因此也可將其歸屬於高分子表面活性劑中。聚醚具有獨特的性能,一般不吸濕,溶解性在冷水中比在熱水中好,濃溶液呈膠狀,也可溶於芳香烴和含氯有機溶劑中。聚醚的毒性和起泡力均較低,相對分子質量為2000~3000的聚醚有良好的去污力;相對分子質量更高的分散力較好。此外,聚醚還具有強乳化力,故可用於低泡洗滌劑、乳化劑、消泡劑以及織物勻染劑、抗靜電劑、金屬切削冷卻液潤滑劑和黏結劑中。在一些特殊領域有更廣泛的應用。 [3] 

非離子表面活性劑參照指標

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非離子表面活性劑是一種在水中不離解成離子狀態的兩親結構化合物。其親水基主要是由聚乙二醇基即聚氧乙烯基構成,另外就是以多元醇(如甘油、季戊四醇、蔗糖、葡萄糖、山梨醇等)為基礎的結構。此外還有以單乙醇胺二乙醇胺為基礎的結構。
聚乙二醇型非離子表面活性劑是用具有活潑氫原子的疏水性原料,在酸或鹼催化劑參與下與環氧乙烷起加成反應制得的,聚乙二醇型非離子表面活性劑水溶液加熱至一定温度,水溶液會變成白色渾濁狀。這種現象是由於温度升高使聚乙二醇鏈與水分子之間形成的氫鍵被切斷,致使表面活性劑分子不能在水中溶解,這是聚乙二醇型非離子表面活性劑所特有的性質。使聚乙二醇型非離子表面活性劑溶解性發生突變的温度為濁點。濁點隨環氧乙烷加成物質的量的增多而升高,可作為這類表面活性劑的親水性指標。 [3] 

非離子表面活性劑濁點測定

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濁點是指當非離子表面活性劑在水溶液受熱至溶液從透明變為渾濁時的温度,反映了該類表面活性劑分子中親水性與親油性之間的平衡比例關係。濁點是推測表面活性劑的主要指標之一,通過濁點的測定可以初步確定其較為合適的使用温度。
GB/T559-2010針對非離子表面活性劑的不同類型,規定了5種(A、B、C、D及E)測定非離子表面活性劑濁點的方法。方法A、B和C適用於脂肪醇、脂肪胺、脂肪酸、脂肪酸酯和烷基酚等親油性化合物與環氧乙烷縮合而製得的非離子表面活性劑濁點的測定。方法D和E適用於環氧乙烷一環氧丙烷嵌段聚合而成的非離子表面活性劑濁點的測定。由脂肪酸或脂肪酸酯類親油性化合物與環氧乙烷-環氧丙烷嵌段聚合而成的非離子表面活性劑,方法E通常是不適用的,但只有在測定被證實具有重現性時方能採用。
各種方法的選用,依照以下方法。
方法A:若試樣水溶液在10~90℃間變渾濁,則在蒸餾水中進行測定。
方法B:若試樣水溶液在低於10℃時變渾濁或試樣不能充分溶解於水,則在25%二乙二醇丁醚水溶液中進行測定。該方法不適用於某些含環氧乙烷低的試樣,以及不溶於25%二乙二醇丁醚溶液的試樣。
方法C:若試樣水溶液在高於90℃時變渾濁,則需在密封安瓿瓶內進行測定。密封安瓿瓶可使操作在壓力下進行,達到比在大氣壓下溶液的沸點還要高的温度。也可用氯化鈉水溶液代替蒸餾水,按照方法A測定試樣的濁點,但測定結果與安瓿瓶法測得的結果不呈簡單的相關性。
方法D:若試樣酸性水溶液在10~90℃間變渾濁,則在濃度為1.0moL的HCl標準溶液中進行測定。
方法E:若試樣酸性水溶液在高於90℃時變渾濁,則在每升含50g正丁醇及0.04g鈣離子的水溶液中進行測定。 [4] 

非離子表面活性劑優缺點

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非離子表面活性劑的優點是:具有優異的潤濕和洗滌功能,去污力強,還同時具有良好的乳化、滲透性能及起泡、穩泡、抗靜電、殺菌等作用;穩定性高,在水溶液中不電離,並且不受強電解質、強酸、強鹼的影響,也不受硬水中鈣、鎂離子的影響;與其他類型表面活性劑的相容性好,與陰離子和陽離子表面活性劑都可兼容;無毒、無刺激、生物降解性好,是新一代“綠色產品”。 [5] 
非離子表面活性劑的缺點是:其通常都是低熔點的蠟狀物或膏體,所以很難把它們復配成粉狀。例如,當温度升高或增加電解質濃度時,聚氧乙烯醚鏈的溶劑化效應會下降,有時會不溶,產生沉澱。 [5] 

非離子表面活性劑基本用途

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非離子表面活性劑大多為液態和漿狀態,它在水中的溶解度隨温度升高而降低。非離子表面活性劑具有良好的洗滌、分散、乳化、起泡、潤濕、增溶、抗靜電、勻染、防腐蝕、殺菌和保護膠體等多種性能,廣泛地用於紡織、造紙、食品、塑料、皮革、毛皮、玻璃、石油、化纖、醫藥、農藥、塗料、染料、化肥、膠片、照相、金屬加工、選礦、建材、環保、化妝品、消防和農業等各方面。 [3] 

非離子表面活性劑使用原則

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1、顆粒狀聚丙烯酰胺絮凝劑不能直接投加到污水中。使用前必須先將它溶解於水,用其水溶液去處理污水。
2、溶解顆粒狀聚合物的水應該是乾淨(如自來水),不能是污水。常温的水即可,一般不需要加温。水温低於5℃時溶解很慢。水温提高溶解速度加快,但40℃以上會使聚合物加快降解,影響使用效果。一般自來水都適合於配製聚合物溶液。強酸、強鹼、高含鹽的水不適於用來配製。
3、聚合物溶液濃度的選擇,建議為0.1%~0.3%,即1升水中加1g~3g聚合物粉劑。
參考資料
  • 1.    尹衞平,呂本蓮.精細化工產品及工藝:華東理工大學出版社,2009.08:33
  • 2.    貢長生.現代工業化學:華中科技大學出版社,2008.6:33334
  • 3.    董國君,蘇玉.表面活性劑化學:北京理工大學出版社,2009.08:18-23
  • 4.    羅曉民,丁紹蘭,周慶芳.普通高等教育“十二五”規劃教材 皮革理化分析:中國輕工業出版社,2013.09:160-161
  • 5.    李文彬,佟妍.精細化工生產技術:中央廣播電視大學出版社,2014.01:28