表面活性剂的性质及其应用

杨霄

摘 要：表面活性剂是一类同时具有亲水基和亲油基的两亲性分子，可以明显降低液体的表面张力，具有乳化、润湿、增溶和分散等作用，同时对液体产生泡沫有一定的影响。由于其独特的性质，表面活性剂被广泛用于合成洗涤剂、乳化剂、增稠剂、杀菌剂、消毒剂、润湿剂等。除普通表面活性剂外，还研发出了多种新型表面活性剂，这些新型表面活性剂都有与普通表面活性剂不同的结构和特性，有着较强的应用潜力和发展前景。

关键词：表面活性剂；两亲分子；Gemini；bola

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.097

现在人们的生活已经离不开肥皂、洗衣粉等各类合成洗涤剂，而这些洗涤剂的有效成分正是表面活性剂。生命中细胞膜的骨架—磷脂双分子层的本质也是表面活性剂组装的囊泡结构。除此之外，它还具有抗菌，增溶，乳化，润湿，助悬，增粘，防腐，抗静电等功能，也常被应用于食品和化妆品添加剂。

1 表面活性剂的概念和特点

表面活性剂（surfactant）是一类两亲性的长链分子，其结构中至少含有一个亲水基和一个疏水基（图1a）。由于水是极性液体，根据相似相溶，亲水基易溶于水，与水有较强的偶极作用，而疏水基则与水的作用力很弱。从而在水溶液中，亲水基团往往处于水相中，疏水基团则在水相外自身相互作用，互相靠近，这样使表面活性剂能够聚集形成胶束结构（图1b～d）。胶束可以起到增溶，自愈合，也可以作为药物载体。

表面活性剂在溶液中形成特殊结构的驱动力在于它能降低体系的表面张力。比如，在形成胶束时，这样的结构使疏水基团与水相完全分离，可以显著降低液体表面张力。基团的亲水性和亲油性可以用Griffin提出的亲水亲油平衡值（HLB）来衡量，比如羧酸根的HLB为21.2，烷基链的HLB为0.475。表面活性剂在溶液内部形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度（CMC）。CMC也就是让液体表面活性趋于稳定的最小浓度，即在CMC浓度以上，液体表面张力不会继续减少。CMC可以用测定表面张力和电导率等方法确定。

2 普通表面活性剂

普通表面活性剂的亲水基团一般是极性基团，比如羟基、氨基、胺盐基团、羧基、磷酸基、硫酸基、磺酸基等；疏水基团多为非极性长链烷基，一般为八个碳原子以上，有时候疏水基团也可以是芳香基团。普通表面活性剂最简单的分类方法可以按亲水基团的性质来，可以分为离子型和非离子型两类。其中离子型包括阳离子型、阴离子型、两性离子型三类，如表1。

3 新型表面活性剂

20世纪以来，化学家们设计了新的表面活性剂，主要有Gemini型、bola型、离子液体型、大分子表面活性剂等。

3.1 Gemini型

双子（Gemini）型表面活性剂的结构为一个连接基连接两个亲水基，两个亲水基再分别连接两个疏水基（图2a）。除去普通表面活性剂之外，还有不对称型Gemini表面活性剂。这类Gemini表面活性剂的主要特点是两端的亲水基团和疏水基团不都相同。这类表面活性剂可调控因素更多，也正因为此，它的合成和提纯都较为困难。目前为止，不对称Gemini表面活性剂的研究报告较少。

相比于普通表面活性剂，Gemini型表面活性剂有以下几个特点：CMC值较低，仅为普通表面活性剂的百分之一到千分之一左右；更易在溶液表面富集，有更强的吸附能力和表面活性；对有机物的增溶能力较强；有特殊的流变性，随着浓度增大，Gemini表面活性剂的水溶液黏度随浓度增加时先增大后减小；易于生物降解；与普通表面活性剂复配使用时有明显的正協同效应。

3.2 Bola型

Bola型表面活性剂的结构为两个亲水头基通过一个疏水基相连（图2b），连接基团除了烷基链和芳香烃之外，还可以选用其他的基团，比如Fu合成了以金刚烷为连接基团的bola型表面活性剂。Bola型表面活性剂的胶束形态十分多样，Liu发现选用不同长度的连接基团，可以形成不同的自组装结构。在碱性条件下可形成纳米丝状和层状胶束，酸性条件下可形成球状和纳米纤维状的胶束。Hui发现当连接基团采用芳香性基团时，由于芳香基团之间存在π-π相互作用，胶束的形态会更加复杂。未来这类表面活性剂还有可能在光敏元件和纳米级导线的制造等方面有重要应用。

4 结论

新型表面活性剂的结构异于普通表面活性剂，有着更加优异和特殊的性能。但是由于成本等因素的影响，新型表面活性剂的应用范围和普及程度均不及普通表面活性剂。随着研究的深入和更高效合成路线的发现，新型表面活性剂必将有无限的发展潜力。

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