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在洗涤剂配方中选择正确的表面活性剂

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表面活性剂是1950年代由安塔拉产品公司(Antara Products)创造的“表面活性剂”的昵称,是一种既包含亲水又包含憎水部分的分子。这种独特的结构是为什么表面活性剂在各种工业和商业应用(包括农用化学品、家庭和个人护理、工业和公共机构(I&I)、石油和天然气以及油漆/涂料)中起主要作用的原因。

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表面活性剂的种类

那么,表面活性剂如何工作?一些表面活性剂的亲水性部分具有电荷,根据电荷的身份(或缺乏电荷),表面活性剂可归为以下四个主要类别之一:

  1. 非离子(无电荷)
  2. 阴离子(负电荷)
  3. 阳离子(正电荷)
  4. 两性的(包含正电荷和负电荷)

为特定应用选择的表面活性剂类型在很大程度上取决于固有的溶液性质和预期的最终用途。这些化合物中的许多化合物为特定市场的配方提供了优异的性能,包括低泡清洁剂、快速润湿性能、水溶性化合物以及水不溶性化合物的乳化作用。

为最终用途选择正确的表面活性剂是一项艰巨的任务,但是一旦您充分了解了四种表面活性剂之间的区别以及每种表面活性剂的工作原理,选择正确分子的任务就变得容易得多。因此,让我们深入研究四类表面活性剂,并讨论使每种类型独特地不同的原因。

什么是非离子表面活性剂?

非离子表面活性剂是工业上最常用的表面活性剂之一,所以让我们问一个简单的问题:“什么是非离子表面活性剂”?

非离子表面活性剂是一种在其亲水性头基上不带电荷的表面活性剂,因此性质较温和。由于与非离子表面活性剂相关的温和性,它们通常在整个家庭和个人护理市场以及农业化学工业中使用。

此外,电荷的缺乏促进了非离子表面活性剂容易乳化油脂的能力,使其成为从污垢表面清除油脂的重要参与者。尽管此类表面活性剂通常与家庭或工业环境中的清洁产品相关联,但它们也广泛用于其他领域。非离子表面活性剂通常用于家庭、美容和个人护理表面活性剂市场,其产品包括洗发剂(有助于乳化)、香水(作为增溶剂)、化妆品(帮助在化妆品中分散颜料)并协助用于护肤产品的油的乳化。

非离子表面活性剂不受家庭和个人护理市场的限制,例如,非离子表面活性剂可用于帮助农业表面活性剂行业的农民,因为这些化合物用于农药和佐剂制剂中可增加其农药通过叶子的表面散布、润湿、黏附和渗透。石油工业中石油和天然气的精炼和加工也利用非离子表面活性剂。例如,非离子表面活性剂被用作石油和天然气中与石油产品接触的表面的腐蚀抑制剂,以及回流助剂,以帮助改善碳氢化合物的流动。由于其表面化学性质,非离子表面活性剂还广泛用于涂料应用,例如乳胶漆的乳化剂和丙烯酸涂料的流平剂。

非离子表面活性剂清单

非离子表面活性剂的一些常见例子是乙氧基化和烷氧基化脂肪酸、乙氧基化胺乙氧基化醇烷基和壬基酚乙氧基化物乙氧基化脱水山梨醇酯蓖麻油乙氧基化物

选择正确的表面活性剂时,重要的是要了解如何调整缺水部分的特性以及缺水部分与憎水部分的比例,以提供更好的水溶性、润湿性和去污力、乳化。要了解这种现象,首先必须了解亲水/亲脂平衡(HLB)理论,这是非离子表面活性剂的独特特征。

非离子表面活性剂的HLB的范围为1-20,可以计算得出,并用于确定化合物在给定的油和水溶液中有效工作的倾向。较低的HLB值(<10)通常用于富油溶液,而具有较高的hlb值(>10)的表面活性剂通常在水包油乳液中最有效。

正如离子表面活性剂疏水部分的身份可以根据最终应用的需要而变化一样,非离子表面活性剂的聚氧乙烯组分的长度(即亲水部分)也为这类化合物提供了广泛的分类的溶解度和去污力。环氧乙烷的用量增加通常会增加其水溶性,并增加化合物的亲水/亲脂平衡(HLB)。

什么是两性表面活性剂?

两性表面活性剂是两性离子,这意味着它们的极性头基团同时带有正电荷和负电荷,因此使总净电荷为零。一般而言,两性表面活性剂具有低毒性,低眼睛和皮肤刺激性,对硬水的耐受性,并具有优异的起泡性和与其他表面活性剂的相容性。

由于两性表面活性剂的这种独特特性,它们的性能取决于最终配方的pH值-在酸性环境中,两性离子具有更多的阳离子特性,而在碱性环境中,它们的行为更像阴离子表面活性剂。因为两性表面活性剂的结构是两性的,所以这类分子与所有其他类型的表面活性剂都是相容的。

两性表面活性剂清单

甜菜碱和氧化胺是两种最常用的两性表面活性剂。甜菜碱分别含有一个阴离子和一个阳离子基团,例如羧酸盐和季铵化合物。两性表面活性剂被认为比其阴离子对应物(如烷基醚硫酸盐)温和,因此很容易以直接或部分取代硫酸盐的形式用于洗发香波中。这是由于甜菜碱具有减少烷基硫酸盐引起的皮肤和眼睛刺激的能力。

以类似的方式,月桂胺氧化物可以减轻阴离子表面活性剂的刺激作用。这些表面活性剂可以提供高发泡性和增稠性,并且在大多数pH范围内都稳定,包括在过氧化物和次氯酸盐溶液中的稳定性。该产品的主要市场领域包括家庭护理、个人护理、石油和天然气以及农用化学品。

什么是阳离子表面活性剂?

与阴离子表面活性剂不同,阳离子表面活性剂在其亲水性头基上带有正电荷,这使它们可用于抗静电产品,如织物柔软剂和头发调理剂。带正电的极性头基团沉积在头发或纺织品纤维的带负电的表面上。此外,已知阳离子表面活性剂的积极性质有助于破坏细菌细胞膜,使阳离子表面活性剂可用作抗菌剂,并且通常在硬表面清洁剂和消毒剂中发现。

对于大多数涉及阳离子表面活性剂的制剂,酸性溶液是优选的,因为这将使阳离子结构上保留正电荷。在开发新配方时,对于配方设计师而言,重要的是要知道哪些类型的表面活性剂可以相互混合。不幸的是,由于阳离子表面活性剂表现出的正电荷,因此配方设计师最好不要在配方中结合使用阳离子和阴离子表面活性剂,除非他们想要粘性或粘稠的不均匀物质。

什么是阴离子表面活性剂?

阴离子表面活性剂在其亲水性头上带有负电荷,因此具有极佳的去污性能,因为它们具有与带正电的颗粒(例如污垢和油)结合,将这些颗粒提起并悬浮在胶束状结构中的超强能力。进入胶束后,污垢和污渍可通过水溶液清除并排入下水道,使您的家庭和工作场所一目了然。

阴离子表面活性剂清单

阴离子表面活性剂的一些常见实例是烷基醚硫酸盐、苄基磺酸盐和磷酸酯。已知阴离子表面活性剂在搅拌下会起泡沫,但是这种泡沫与它们的清洁能力没有直接关系,因为与非离子表面活性剂相比,阴离子表面活性剂在去除或乳化油方面作用不大。特别地,包含磷酸酯部分的阴离子表面活性剂是通用产品,它们是有效的偶联剂,出色的水溶助长剂,并且在碱性条件下稳定且可溶。这些表面活性剂被广泛用作农用化学品中的相容剂以及石油和天然气工业中的缓蚀剂。

通常,阴离子表面活性剂最好用于碱性溶液,因为如果被酸质子化,一些阴离子表面活性剂将从溶液中沉淀出来。配制时,最好知道所有阴离子表面活性剂均与非离子表面活性剂相容,从而使化学家可以从大量潜在的辅助表面活性剂中进行混合和匹配。但是,在“粘稠”的情况下(如前所述),最好避免混合阴离子和阳离子。

选择正确的表面活性剂类型

在定义配方或项目的范围时,选择正确的表面活性剂似乎是一项艰巨的任务。如前所述,这些表面活性剂的特性可以非常特殊,从快速润湿到强烈的去污力,常常使配方设计师在其配方方面似乎很难做出决定。

让我们以正在建造洗衣粉的化学家为例。在为其产品选择表面活性剂时,该化学家可能会问自己……

我该选择快速润湿的表面活性剂还是去污力强的表面活性剂添加到我的产品中?

幸运的是,这些表面活性剂中的许多彼此相容,从而使配方设计师可以将不同类别的表面活性剂结合起来,制成一种更有效的洗衣粉。但是,兼容性不是使用两种表面活性剂系统的唯一好处,因为当混合使用时,辅助表面活性剂可以提高彼此的性能。这就是许多配方设计师和化学家在构建混合物、共混物或配方时通常会同时选择主要表面活性剂和次要表面活性剂的原因。

一起使用主要表面活性剂和次要表面活性剂

人们可以将其与表面活性剂等同起来,以构成一支获得冠军的足球或篮球队。作为总经理,组建冠军球队时必须满足几个重要标准,包括(1)确定各个球员的角色,(2)球员之间的兼容性,(3)整体球队的化学素质和(4) 费用。如果能够满足以上所有条件,那么作为团队的总经理(配方背后的化学家),您就已经实现了赢得冠军(或将产品卖给出价最高的人!)的目标。了解这些标准如何影响产品的稳定性和获利能力,我们将在与体育相关的情况下进一步细分每个步骤。

1.确定各个玩家的角色

这看起来似乎很明显,但是例如,在组建一支拥有冠军水准的篮球队时,可能很容易说,“整个迈克尔·乔丹队都能奏效!‘一支“乔丹式”团队的这种情况在现实中永远行不通,因为他的技能(虽然令人印象深刻)无法满足团队的所有需求。

虽然乔丹(Jordan)得分最多,但谁在助攻或篮板上有所帮助?这就是为什么迈克尔需要斯科蒂·皮蓬(可能还有斯科蒂需要迈克尔的原因)的原因。由于这些相同的原因,单一的表面活性剂不能在混合物或配方中履行表面活性剂所需的所有功能。化学家通常会选择一种辅助表面活性剂来弥补主要表面活性剂的弱点。

让我们以洗衣洗涤剂为例,主要的表面活性剂将充当洗涤剂,从而达到配方的主要目的。在这种情况下,主要表面活性剂的一个很好的选择是阴离子表面活性剂,因为它具有很强的去污性能,可以去除衣服上的污垢。将存在辅助表面活性剂以增强最终产品的性能(在这种情况下,是纺织品的快速润湿)。

在配方的这一部分中,非离子(HLB〜10)将是辅助表面活性剂的不错选择,因为它可以使纺织品上的油和污垢颗粒化,从而使主要表面活性剂去除污垢。在衣物洗涤剂的情况下,第二表面活性剂能够增强第一表面活性剂的功能,因为它可以润湿脏衣服的表面,将污垢带入洗涤溶液中,并最终使第一表面活性剂将污垢乳化,使其脱离基材。

通过将第一表面活性剂与第二表面活性剂结合,可以实现通过使用单一表面活性剂无法确定的制剂性能。瞧,乔丹真的需要斯科蒂!

2.玩家兼容性

无论是在体育运动中还是在商务环境中,团队成员之间的相互配合都是必不可少的,因为冲突、分歧和冲突会破坏团队的目标。当每个人与每个人和谐地合作时,一个团队的工作效率最高。在足球比赛中,如果汤姆·布雷迪和比尔·贝里希克(Bill Belichick)看不见的话,他们会拥有六个超级碗戒指(截至2019年8月)吗?

答案是肯定的,因为他们两个是同步的,他们的足球决策能力完美地互补。因此,选择主要表面活性剂和次要表面活性剂之间的相容性可能与产品开发一样有意义。以下是有关表面活性剂相容性的一些一般准则。

  1. 非离子表面活性剂通常与阴离子、阳离子和两性表面活性剂相容。
  2. 阴离子表面活性剂与阳离子不兼容(反之亦然)。
  3. 两性表面活性剂通常与非离子、阴离子和阳离子表面活性剂相容。

3.团队化学

“团队化学”一词通常用于描述团队在整个团队和一项运动的更大范围内对自己角色的理解和接受程度。玩家可能会完美地扮演自己的角色,并且彼此相处融洽(满足条件1和2),但是由于某些不可预见的原因,在比赛场地上并不能很好地融合在一起。教练可以通过进行练习并将多年的知识传授给玩家来帮助解决这种情况。但是,除非总经理正确组建了一支具有独特团队精神的球队,否则整个团队都将错过那枚冠军戒指。

同样,一级表面活性剂和二级表面活性剂不仅必须彼此相容,而且必须在配方内具有正确的“化学性质”,以提高产品稳定性,同时继续具有最佳的应用性能。例如,具有乳化石蜡的不可思议能力的伯和仲表面活性剂在乳化萘油时可能没有用。在这种情况下,化学家就像教练一样,需要依靠他们的经验来选择在产品开发过程中提供最稳定和可行的选择的表面活性剂。

另外,将表面活性剂共混物和具有其HLB值不等的各种表面活性剂进行混合的技术将有助于确定选择主要、辅助和有时是再次表面活性剂。俗话说在体育和化学中……实践是完美的!

4.玩家成本

实现组建冠军球队的前三个标准可能需要付出一定的代价。迈克尔·乔丹(Michael Jordan)和汤姆·布雷迪(Tom Brady)的收入并不便宜,但是即使拥有最昂贵的球员,总冠军队伍也需要培养、练习和指导。以类似的方式,选择最昂贵的表面活性剂并不能解决产品在市场上的稳定性、有用性或适用性的所有问题。

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