使液体能润湿或加速润湿固体的表面活性剂称为润湿剂。应用润湿剂改变固-液体系的润湿性质,以满足各类生产过程和产品的需要,它的主要作用有两方面:一是通过表面活性剂在固体表面的吸附,从而有效地改变固体表面的润湿性质;二是提高液体介质的润湿能力。
表面活性剂的两亲性分子吸附于固体表面,形成定向排列的吸附层,降低界面的自由能,改变固体表面的润湿性质。由于固体表面性质不同,从润湿方程来看,表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液体所润湿。按照表面能的大小,固体可大致分成两类,即高表面能和低表面能。低表面能的固体多为高分子固体和有机固体,这类分子的结构为非极性的;高表面能的固体包括金属及其氧化物、硫化物,无机盐等。高表面能的固体与一般液体接触后,体系表面能将有较大的降低,应为一般液体所润湿;低表面能的固体其表面能与一般液体不相上下,其润湿性质随固、液两相成分与性质的差别而有很大的变化。
利用表面活性剂在固体表面的吸附可改变固体表面的亲水和憎水性。固体表面的极性和电荷对被吸附表面活性剂分子的取向有很大的影响,两性分子在固体表面的取向也决定其表面是憎液还是亲液。例如一些高级脂肪酸、有机胺盐、有机硅化合物、氟表面活性剂等,它们能降低高能表面润湿性,使其表面憎水化。一些金属氧化物的水溶液处理低能表面,也能使其亲水性增加。
下面以月桂酸钾阴离子表面活性剂水溶液对云母表面润湿性的影响为例,说明表面活性剂分子在固-液界面上定向吸附的状态及吸附量对固体表面润湿性的影响。
云母为硅酸盐矿物,其表面为高能表面,把云母片浸入月桂酸钾溶液中,随溶液浓度增加到接近CMC时,云母片表面变为疏水表面,水不能在其上铺展,但当浓度大于CMC以后,表面又变为亲水,水又可在其上铺展。这是由于月桂酸负离子开始时,以亲水的离子头定向吸附于云母的表面上,而以疏水的碳氢链伸入水中的吸附态吸附于云母-水界面上,把原来云母的高能表面变成了低能表面,与水的相溶性变差使γSL增大,水在其上的接触角变大,导致云母表面润湿性变差,如图3-l0( )所示。当月桂酸钾水溶液的浓度大于CMC时,月桂酸负离子通过的碳氢疏水链可通过疏水吸附与吸附于云母表面的第一层单分子层的月桂酸的碳氢疏水链相吸附,这样在云母表面形成了双分子吸附膜,月桂酸以其负离子头伸入水中,构成新的亲水表面又取代了疏水的碳氢链形成的表面,使γSL下降,水在其上的接触角又变小,因而云母的润湿性又重新增大,如图3- 0(2)所示。
此外,表面活性还具有提高液体介质的润湿能力的作用。在水与低能固体表面组成的体系中,由于水的表面张力比固体临界表面张力高,故不能铺展。添加表面活性剂实质上是降低液相的表面张力,使之小于固体的临界表面张力gc,以满足铺展发生的条件。因此,降低水表面张力最多的表面活性剂也具有最好的润湿作用。
常用的润湿剂一般都是阴离子和非离子表面活性剂,例如阴离子表面活性剂:十二烷基苯磺酸钠、烷基萘磺酸钠、二甲苯磺酸钠、磺基琥珀酸酯钠盐、N-甲基-N-酰牛磺酸钠等;非离子表面活性剂:辛烷基酚、C8~ 2脂肪醇与环氧乙烷的加成物、直链脂肪胺的环氧乙烷加成物等。
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