表面活性剂研究进展及其应用现状

王 浩

(西南石油大学材料科学与工程学院，四川 成都 610500)

表面活性剂按照应用情况可分为离子型(包括阳离子与阴离子)、非离子型、两性、复配表面活性剂等[1-5]。表面活性剂因其具有亲水基团和亲油基团，能使表面张力显著下降，因而这种助剂通过在气液两相界面吸附来降低水的表面张力，也可通过吸附在液体界面间来降低油水界面张力。表面活性剂按照基团结构的特殊性，可分为阴离子、阳离子、非离子、两性离子以及双子表面活性剂[6]。两性离子型和非离子型表面活性剂因其基团结构的特殊性表现出更为强大的应用性能。文章通过对表面活性剂相关研究进展和应用情况的综合分析，对表面活性的应用价值和前景进行探讨。

1 表面活性剂介绍

由于其离子性质及在溶液中的行为表现，表面活性剂可使材料的表界面特性介于有序和无序物质状态之间，如可能含有的有序相(胶束)或是无序相(自由表面活性剂分子和/或离子)。特殊地则以反胶束的形式溶于非极性溶剂或其他非极性介质中。

阴离子表面活性剂接结构不同可分为羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐等四大类。按其亲水基团的结构分为：磺酸盐和硫酸酯盐，如十二烷基苯磺酸钠。使用时若与三聚磷酸钠等络合剂复配，通过络合去除钙、镁离子，就可在硬水、土壤污染治理中使用，以增强脱洗效果[7]。

阳离子表面活性剂主要是含氮的有机胺衍生物。由于其分子中的氮原子含有孤对电子，故能以氢键与酸分子中的氢结合，使氨基带上正电荷。因此，它们在酸性介质中才具有良好的表面活性，而在碱性介质中容易析出而失去表面活性。除含氮阳离子表面活性剂外，还有一小部分含硫、磷、砷等元素的阳离子表面活性剂。

非离子型表面活性剂其亲水基是由醚基、羟基和酰胺基等含氧基团构成，可分为烷基醇酰胺、烷基酚聚氧化乙烯醚、脂肪醇聚氧化乙烯醚、多元醇多元酸及其聚氧化乙烯醚、烷基多苷及其衍生物等。因其在溶液中不是离子状态，所以稳定性高，不易受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受pH的影响，与其他类型表面活性剂相容性好，因而综合性能更为优越。大多为液态、浆状态，在水中的溶解度随温度升高而降低。对非离子表面活性剂来说，亲水性取决于醚键的多少，而醚键与水分子会发生化学结合，并放热，因此当水分子逐渐脱离醚键时，因溶解度降低而析出，溶液会出现浑浊现象，此时表面活性剂失去作用。刚出现浑浊现象的温度称为浊点，而浊点越高，使用的温度范围广。

双子表面活性剂通常是用化学键将两个或两个以上的亲水端基或其附近可连接部位连接在同一作用点上，用于增强表面活性剂的作用效率。该类表面活性剂有阴离子型、非离子型、阳离子型、两性离子型及阴-非离子型、阳-非离子型等。

对于表面活性剂的实验探究一般侧重其相行为、化学结构、物理化学性能、构造的吸附层性能以及作用于固体基质表面或在单一有机溶剂中形成的胶束结构等[1]。

2 表面活性剂研究进展

对于表面活性剂的研究进展，其价值具体表现在与螯合剂的复配使用、吸附行为、胶束形核性质促使的乳化、起泡体系的稳定形成，控制以及助剂亲和性与胶束行为对溶液增溶能力的提高作用。

首先，表面活性剂的应用价值基于其胶束行为，耿卫东等人[5]以异辛醇为起始剂，经过烷氧基化、气体SO3硫酸化和氢氧化钠中和等步骤合成的异辛基阴离子型Extended表面活性剂，其临界胶束浓度显著降低。而其胶束行为的相对稳定性则使得表面活性剂具有较好的应用价值，如匡建通过微乳液聚合制备的Gemini新型表面活性剂，其主要作为W/O微乳液包载姜黄素的生物医学应用表面活性剂，在使其形成胶束作用的同时，稳定包覆姜黄素，使得黄姜素药物的释放速率变慢[6]。李漫等[2]采用接枝反应成功制备两性高分子表面活性剂CHPDMDHA-g-N,O-CMC，乳化稳定性高达195 s。而张欢等[7]则以顺丁烯二酸酐(MAH)和长链胺为原料，合成了一系列表现为克拉夫特点随链长增加而升高的酰亚胺型羧酸盐表面活性剂。这种表面活性剂优异的乳化性能有稳定的起泡能力，疏水性能进一步提高，相界面性质显著增强。

其次，同时具备表面活性剂和表现出对苯组分的亲和性，则是基于其是否富亲水基团或富疏水基团。夏雨等[3]以三乙醇胺、环氧氯丙烷和丙三醇为原料，经过季铵化反应以及中间体开环醚化反应，合成了一种具有一定异构结构的多羟基三季铵盐，可作为金属清洗用途的无泡阳离子表面活性剂，其长碳链使得表面活性剂的亲油性得到显著增强，而由于含氧基团的存在，水溶性相对仍保持正常，因而对油基杂质的携带能力相对更强。而张振伟等[4]以环己烯二甲酸二甲酯、N,N-二甲基-1,3-丙二胺、溴代十四烷为原料合成了一种新型双子阳离子表面活性剂十四烷基环己烯基二甲酰胺类双季铵盐(KB-14)，增溶能力明显。

此外，其功能的应用与多功能性的发展使得表面活性剂的研究方向更为多样化。如A.Y.El-Etre等人[8]合成的一种表面活性剂3-癸酰胺基-丙基-乙基-二甲基碘化铵(DAEI)，通过表面活性剂对金属表面的较强亲和性，形成类保护涂层，可用于铝金属的防腐保护。而冉文静[9]通过表面活性剂改变复杂物质的表面性质，从而增强螯合剂对物质内部重金属离子的吸附螯合几率，使其在重金属污染方面与螯合剂发挥了去污增强的协同作用。彭忠利等人[10]则采用合成性质的ED3A类螯合型表面活性剂，通过增强表面活性剂的吸附性能，获得了相对性能较佳的重金属离子去除能力，使其更为适合用于重金属污染土壤的淋洗修复。

3 表面活性剂应用研究

表面活性剂通常作为增溶剂、降黏剂、乳化剂在化工合成等试验探究以及油气开采等工程方面广泛使用。借助表面活性剂对表面张力的改善等效果，提高界面的亲水性能或润湿性能。综合来说，应用研究则集中在去污能力、润湿性能、增溶能力、降黏行为、胶束形核行为等几方面。其去污能力、润湿性能与增溶能力以及在增溶剂、乳化剂、降黏剂或特殊防腐材料上的应用是基于表面活性剂对杂质组分的亲和性与吸附行为[7-11]。而其降黏能力则是通过其强电荷性质，有效控制体系中增黏组分分子链的有效缠结或是控制原油的黏滞性，以有效降低黏度。

常规性能方面，郑江鹏[11]、刘勇等[12]采用复合表面活性剂的大幅降低原油黏度。王慧等[13]采用表面活性剂作为水基油污清洗剂，并通过去污能力的综合性能对比，复配新的油污清洗剂配方。张振伟等[4]则通过表面活性剂的使用提高溶液中邻苯二甲酸二甲酯的溶解度。Zahari Vinarov等则列举了多种可对黄体酮增溶的表面活性剂。李奎等[14]通过油脂与蔗糖转酯合成了含蔗糖脂肪酸酯及甘油单酯的生物基表面活性剂，其乳化性能和起泡能力、泡沫稳定性均优于商品蔗糖酯SE-15，应用效果较好。

表面活性剂由于具备润湿效果好、去污能力强等优良性能，并基于亲水基团、亲油基团两大结构特性，应用范围逐渐扩大，在金属清洗、土壤修复和水处理等方面都被采用。牟建海[15]提出了用于喷淋清洗的可显著降低起泡性的低泡表面活性剂。刁静茹等[16]提出，新型螯合表面活性剂N-LED3A在保证高效洗脱土壤重金属离子的同时，最大程度地避免了其吸附土壤的副效应，极大提高了实际土壤修复效率。A.Y.El-Etre等人[8]提出，采用阳离子表面活性剂DAEI可大幅提高铝金属在0.5 mol/L的盐酸溶液中的抗腐蚀性能，实验效果显著。Mostafa keshavarz Moraveji等[17]提出，表面活性剂有助于加快甲烷水合物的形成速率，并缩短其诱变时间，可作为该反应的促进剂使用。M.P.Andersson等则采用表面活性剂改性金属纳米粒子催化剂，通过形成胶束结构反应体系，降低成本和金属资源消耗，获得较快的反应速率，并进一步降低环境影响。Yingjie Li等采用新性表面活性剂FTMA改性蒙脱土，用于吸附水中的有机污染物。这种新的改性蒙脱土具有循环高效使用的特点，因而更具有应用价值。表面活性剂作为添加剂，在新能源与高效节能技术领域也获得广泛应用，其中包括燃料电池催化剂、乳化燃油中的乳化剂等[18]。此外，借由亲水、亲油特性表现出的降低界面张力的作用，表面活性剂也常常作为消泡剂与起泡剂使用[19-20]。

4 结语

一般而言，溶液中表面活性剂的正吸附行为有利于提高实验的成功性，如乳液或微乳液聚合体系、催化体系等，通过提高体系内组分的润湿性、乳化性和起泡性等表界面性能，从而使得特殊条件下的反应能够顺利进行。而对于固体表面表面活性剂的使用，则侧重于应用效果，如金属表面的清洗、土壤表层的重金属离子污染治理，并且多以吸附行为为主，其中又包括非极性固体表面单层吸附和极性固体表面可能的多层吸附。根据应用体系的性质和具体应用环境，有时要求表面活性剂具有不同的亲水亲油结构和相对密度，通过选用亲水基或亲油基种类及所占比例，确定基团在分子结构中的位置，可以获得亲水亲油平衡状态。