[科普中國]-工業(yè)味精

工業(yè)味精也就是表面活性劑，表面活性劑是這樣一類物質(zhì),當(dāng)它的加入量很少時,就能使溶劑(一般為水)的表面張力大大降低,改變體系的界面狀態(tài);當(dāng)它達(dá)到一定的濃度時,在溶液中締合成膠團(tuán)。因而產(chǎn)生潤濕或反潤濕、乳化和破乳、起泡或消泡、加溶、洗滌等作用,以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。1

簡介味精作為一種鮮味物質(zhì)在我們的飲食生活中可謂是無所不及。其實(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中也有一種和味精很類似的物質(zhì),用量不需太多,可作用十分神奇,這類物質(zhì)就是通常所說的表面活性劑。

表面活性劑又稱界面活性劑,它能顯著改變液體表面張力和二相間界面張力,從而具有許多奇特的作用,知潤濕、乳化、分散、起泡和消泡、防靜電、防摩擦等。按照共用途可分為洗滌劑、潤濕劑、乳化劑、分散劑、起泡劑等;按照其在水中的電離情況又可分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型四大類。它們在結(jié)構(gòu)上的共同特征是,分子中同時含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)。這種特殊的分子結(jié)構(gòu)使其通過改變液體的表面性質(zhì)而達(dá)到特定的目的。

我們普遍使用的合成洗滌劑的主要成分為十二烷基苯磺酸鈉,它是一種典型的陰離子表面活性劑,具有很強(qiáng)的去污能力,并且直鏈的烷基可被某些微生物所降解,不致污染自然水源。而合成洗滌劑中所含的硫酸鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉、欺甲基纖維素等成分只起輔助作用。

牙膏、香波等日用品之所以能夠產(chǎn)生泡沫,是因?yàn)槠渑浞街刑砑恿税l(fā)泡劑的緣故。像海綿橡膠、泡沫塑料等產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中通常需使用發(fā)泡劑H。然而在某些場合又要求無泡或低泡,如發(fā)酵、造紙、制膠、印花、污水處理等。那怎么辦呢?通常采用添加消泡劑的辦法來解決。發(fā)泡劑和消泡劑都屬于表面活性劑的“家庭成員”。

化妝品、農(nóng)藥、醫(yī)藥大多呈穩(wěn)定的乳狀液,原來也是表面活性劑在起作用,這類表面活性劑叫乳化劑。存在于大豆中的一種天然物質(zhì)大豆磷脂就是一種乳化劑,在生產(chǎn)巧克力時通常用其降低巧克力漿的稠度,以便于注模;在制造奶油味硬糖時一般添加0.2%左右的磷脂就可達(dá)到乳化的目的?？墒窃谟行﹫龊嫌中枰獙⒂退蛛x,如開采的原油中含有一定的水份,要除去其中的水份當(dāng)然首先要“破乳”了,破乳也得靠表面活性劑來完成。2

發(fā)展歷史肥皂是使用最早的表面活性劑之一，公元前7～前6世紀(jì)已經(jīng)開始使用。肥皂遇到硬水會產(chǎn)生沉淀，且在酸性溶液中不穩(wěn)定。紅油（又名土耳其紅油），是蓖麻油硫酸化產(chǎn)物（陰離子表面活性劑），1875年首次由德國巴登苯胺純堿公司合成,是第一個合成的表面活性劑,用于紡織和皮革工業(yè)。第一次世界大戰(zhàn)時，德國研究成功從萘、丙醇或丁醇用發(fā)煙硫酸生產(chǎn)烷基萘磺酸鹽，可以用來代替肥皂，因而節(jié)省了制皂用的動植物油脂。烷基萘磺酸鹽的冼凈能力雖然較差，但具有良好的潤濕和滲透能力，且不受硬水或酸性溶液的影響，所以仍被廣泛采用。1936年隨著石油化工的發(fā)展，美國首先研究成功由苯和煤油制成烷基苯磺酸鹽。后來，由于添加各種助劑和改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，以烷基苯磺酸鹽為主要組分的合成洗滌劑，在應(yīng)用性能和成本方面都比肥皂優(yōu)越，開始大量在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用。此后，合成洗滌劑在洗滌用品總量中所占的比重逐年上升，1982年世界合成洗滌劑的產(chǎn)量已達(dá)28Mt，已經(jīng)超過肥皂并繼續(xù)增長。以合成洗滌劑為代表的表面活性劑的研究和生產(chǎn)發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為重要的化工生產(chǎn)部門，表面活性劑的品種已有幾千種。

主要作用乳化作用由于油脂在水中表面張力大，當(dāng)水中滴入油脂后，用力攪拌，油脂被粉碎成細(xì)珠狀，互相混合成乳濁液，但攪拌停止又重新分層。如果加入表面活性劑，用力攪拌，停止后很長時間內(nèi)卻不易分層，這就是乳化作用。其原因是油脂的疏水性被活性劑的親水基團(tuán)所包圍，形成定向的吸引力，降低了油在水中分散所需要的功，使油脂得到很好的乳化。

潤濕作用零件表面上往往粘附有一層蠟、油脂或鱗片狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)是疏水性的。由于這些物質(zhì)的污染，零件表面不易被水潤濕，當(dāng)水溶液中加入表面活性劑時，零件上的水珠就很容易分散開來，使零件的表面張力大大降低，達(dá)到潤濕目的

增溶作用油類物質(zhì)中加入表面活性劑后，才能“溶解”，但是這種溶解只有在表面活性劑的濃度達(dá)到膠體的臨界濃度時才能發(fā)生，溶解度的大小根據(jù)增溶對象和性質(zhì)來決定。就增溶作用而言，長的疏水基因烴鏈要比短烴鏈強(qiáng)，飽和烴鏈比不飽和烴鏈強(qiáng)，非離子表面活性劑增溶作用一般比較顯著。

分散作用灰塵和污粒等固體粒子比較容易聚集在一起，在水中容易發(fā)生沉降，表面活性劑的分子能使固體粒子聚集體分割成細(xì)小的微粒，使其分散懸浮在溶液中，起到促使固體粒子均勻分散的作用。

泡沫作用泡沫的形成主要是活性劑的定向吸附作用，是氣液兩相間的表面張力降低所致。一般低分子活性劑容易發(fā)泡，高分子活性劑泡沫少，豆蔻酸黃發(fā)泡性較高，硬脂酸鈉發(fā)泡性最差，陰離子活性劑發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性比非離子型好，如烷基苯磺酸鈉發(fā)泡性很強(qiáng)。通常使用的泡沫穩(wěn)定劑有脂肪醇酰胺、羧基甲基纖維素等，泡沫抑制劑有脂肪酸、脂肪酸酯、聚醚等及其它非離子表面活性劑。3

分類表面活性劑按分子結(jié)構(gòu)特性可分為陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑、陽離子表面活性劑。

陰離子表面活性劑磺酸鹽

此類活性劑常見的有直鏈烷基苯磺酸鈉和 α-烯基磺酸鈉。

直鏈烷基苯磺酸鈉別名 LAS 或 ABS，為白色或淡黃色粉狀或片狀固體，在復(fù)配表面活性劑體系中溶解性很好，對堿、稀酸和硬水都比較穩(wěn)定。常用于洗潔精(餐具液洗劑) 和衣用液體洗滌劑，一般不用于洗發(fā)香波，很少用于淋浴液。在洗潔精中其用量可占表面活性劑總量的一半左右，在衣用液體洗滌劑中所占比例實(shí)際調(diào)節(jié)范圍較寬。應(yīng)用于洗潔精比較典型的復(fù)配體系是三元體系“LAS（直鏈烷基苯磺酸鈉）-AES（醇醚硫酸鈉）-FFA（烷基醇酰胺）”。直鏈烷基苯磺酸鈉突出的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、去污力強(qiáng)、環(huán)境危害極小，能很好地被生物降解為無害物、價格低廉。突出的缺點(diǎn)是刺激性大。

α- 烯基磺酸鈉別名 AOS，極易溶于水，它在廣泛的 p H 值范圍內(nèi)都有較好的穩(wěn)定性。在磺酸鹽品種中，性能較好。突出的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，水溶性好，配伍性好，刺激性小，微生物降解也非常理想，是洗發(fā)香波和淋浴液中常使用的主表面活性劑之一。其缺點(diǎn)是價格較貴。

硫酸鹽

此類活性劑常見的有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基硫酸鈉。

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉別名 AES、醇醚硫酸鈉。易溶于水，在洗發(fā)香波、淋浴液、餐具液體洗滌劑(洗潔精)、衣用液體洗滌劑中都可應(yīng)用。水溶性比十二烷基硫酸鈉更好，在常溫下本身就可配成任何比例的透明水溶液。在液體洗滌劑中的應(yīng)用比直鏈烷基苯磺酸鈉更廣泛，配伍性更好；能夠與許多表面活性劑二元復(fù)配或多元復(fù)配成透明水溶液。突出的優(yōu)點(diǎn)是刺激性小、水溶性好、配伍性好、在防皮膚干裂粗糙方面表現(xiàn)好。缺點(diǎn)是在酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性稍差，去污力次于直鏈烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉。

十二烷基硫酸鈉別名 AS、K 12、椰油醇硫酸鈉、月桂醇硫酸鈉發(fā)泡劑，對堿和硬水不敏感，在酸性條件下穩(wěn)定性次于一般磺酸鹽，接近于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，易降解，對環(huán)境危害極小。在液體洗滌劑中應(yīng)用，酸度不能太高；在洗發(fā)香波和沐浴液中使用其乙醇胺鹽或銨鹽,不僅可增加耐酸穩(wěn)定性，還有益于降低刺激性。除發(fā)泡性好和去污力強(qiáng)外，其他方面的使用性能都不如醇醚硫酸鈉。在常見陰離子表面活性劑中價格一般比較高。

陽離子表面活性劑與各種類型表面活性劑相比，陽離子表面活性劑的調(diào)整作用最突出，殺菌作用最強(qiáng)，盡管有去污力差，起泡性差，配伍性差、刺激性大，價格昂貴等缺點(diǎn)。陽離子表面活性劑不直接與陰離子表面活性劑配伍，只能作為調(diào)理劑組分或殺菌劑來使用。陽離子表面活性劑在液體洗滌劑中作為輔助表面活性劑（配方用量很少的調(diào)理劑組分）一般用于較高檔次產(chǎn)品，主要用于洗發(fā)香波。作為調(diào)整劑組分在高檔次液體洗滌劑洗發(fā)香波中不是其他類型表面活性劑所能替代的。

常見陽離子表面活性劑品種有十六烷基二甲基氯化銨(1631)、十八烷基三甲基氯化銨(1831)、陽離子瓜爾膠(C-14 S)、陽離子泛醇、陽離子硅油、十二烷基二甲基氧化胺(OB-2)等。

兩性離子表面活性劑兩性表面活性劑指兼有陰離子和陽離子性親水基的表面活性劑，因此這種表面活性劑在酸性溶液中呈陽離子性，在堿性溶液中呈陰離子性，而在中性溶液中有類似非離子的性質(zhì)。兩性表面活性劑易溶于水，溶于較濃的酸、堿溶液，甚至在無機(jī)鹽的濃溶液中也能溶解，耐硬水性好，對皮膚刺激性小，織物柔軟性好，抗靜電性好，有良好的殺菌作用，與各種表面活性劑的相容性好。重要的兩性表面活性劑品種有十二烷基二甲基甜菜堿、羧酸鹽型咪唑啉等。

非離子表面活性劑非離子表面活性劑具有良好的增溶、洗滌、抗靜電、刺激性小、鈣皂分散等性能；可應(yīng)用 p H 范圍比一般離子型表面活性劑更寬廣；除去污力和起泡性外，其他性能往往優(yōu)于一般陰離子表面活性劑。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（相同活性物含量之間比較）。主要品種有烷基醇酰胺（FFA）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AE）、烷基酚聚氧乙烯醚（APE 或 OP）。

烷基醇酰胺（FFA）是一類性能優(yōu)越和用途廣泛及使用頻率很高的非離子表面活性劑，在各種液體洗滌劑中常用。在液體洗滌劑中使用常與酰胺配伍，配比一般為“2∶1”和“1.5∶1”（烷基醇酰胺∶酰胺）。烷基醇酰胺可以在一般稍偏酸性和堿性洗滌劑中應(yīng)用，是非離子表面活性劑中價格最便宜的一個品種。4

應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是化學(xué)工業(yè)的進(jìn)步’及相關(guān)學(xué)科的滲透.促使表面活性劑的作用和應(yīng)用越趨廣泛而深入,大到礦物的開采和能源的開發(fā),小至細(xì)胞的作用和酶的效應(yīng),均能找到表面活性劑的蹤影。而今表面活性劑的應(yīng)用早不限于洗滌劑的去污活性物、牙膏的去垢劑、化妝品乳化劑等日化工業(yè)方面,而已遍及石油化工、能源開發(fā)、醫(yī)藥工業(yè)等其他生產(chǎn)領(lǐng)域。

石油開采石油開采中,使用表面活性劑的加水稀溶液,或表面活性劑與油和水的混合濃溶液進(jìn)行油田的采油,可提高原油開采率15%一20%。由于表面活性劑具有降低溶液粘度的性能,鉆井時使用,使原油粘度下降,減少或防止卡鉆事故的發(fā)生。亦能使不再噴油的老井重新復(fù)噴。

能源開發(fā)表面活性劑還能在能源開發(fā)方面作出貢獻(xiàn)。如今在世界石油價格上漲,油源緊張的形勢下,發(fā)展油--一煤混合燃料意義深遠(yuǎn)。即在工藝中加入表面活性劑可制成流動性能很高的新型燃料,這種燃料可代替汽油,作為動力能源。之外在汽油、柴油和重油中加入起乳化作用的表面活性劑,不但節(jié)省油源,而且可提高熱效應(yīng),還可減輕對環(huán)境的污染。因此表面活性劑對能源開發(fā)有著深遠(yuǎn)意義。

紡織工業(yè)表面活性劑在紡織工業(yè)上的應(yīng)用已有長久歷史。合成纖維較天然纖維有著粗糙、不夠蓬松,易產(chǎn)生靜電吸附塵埃的弊端及吸濕性和手感差等缺點(diǎn),若以專用表面活性劑處理之后,上述合成纖維的缺陷可大大改善。之外表面活性劑也是紡織印染業(yè)的柔軟劑、抗靜電劑、潤濕滲透劑、乳化劑?？梢姳砻婊钚詣┰诩徔椨∪緲I(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的。

金屬清洗在金屬清洗方面,傳統(tǒng)的溶劑是汽油、煤油、四氯化碳等有機(jī)溶劑。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,全國每年用于清洗金屬件的汽油竟高達(dá)50萬噸。而以表面活性劑配制成的水基金屬清洗劑,可節(jié)約能源。據(jù)測算:一噸金屬清洗劑可代替20噸汽油,而1噸石油原料可制成4噸金屬清洗劑,可見表面活性劑對于節(jié)約能源有著深遠(yuǎn)意義。之外表面活性劑金屬清洗劑還具有無毒、不致燃爆、不污染環(huán)境以及保障工人安全的特點(diǎn)。這類金屬倩洗劑現(xiàn)已推廣應(yīng)用于航天發(fā)動機(jī)、飛機(jī)、軸承等不同種類的金屬零部件的清洗方面。

食品工業(yè)食品工業(yè)中,表面活性劑是制作食品的多功能助劑。食品用表面活性劑有著優(yōu)良的乳化、潤濕、防粘、保鮮及絮凝作用。由于這類特殊的添加劑作用,可使糕點(diǎn)起酥,發(fā)泡性食品起泡,面包松軟,人造奶油、蛋黃醬、冰淇淋等產(chǎn)品原料均勻地分散乳化開來,對提高制品的制作工藝和產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量均有著奇特的功效。

農(nóng)業(yè)農(nóng)藥是一種乳狀液體,由于液體表面張力的原因,噴灑在植物葉面上有不易鋪展開來的缺憾。若在農(nóng)藥的配液中加入表面活性劑,借助于表面活性劑能夠降低液體表面張力的作用,即乳液失去表面活性,農(nóng)藥乳液將容易地展敷在葉面上,這樣其殺蟲效果會更好。5

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李廉 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)