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緻力於表面活性劑在紡織、印染、化纖、染料等領域的開發和應用
1 陰離(lí)子表面活性劑(jì)
陰離子表面活性劑的曆史最久。l8世紀興起的制皂業所生産(chǎn)的肥皂即爲陰離子表面活性劑,肥皂屬高級脂肪酸鹽。此外,有代表性的陰離子表面活性劑還(hái)有磺酸鹽、硫酸酯鹽、脂肪酰-肽縮合物等。
陰離子表面活性劑在低溫下較難溶解,随溫度升高溶解度加大,溶解度達(dá)到極限時會析出表面活性劑的水合物。但是,水溶液加熱至一定溫度時,表面活性劑分子發生締(dì)合,溶解度會急劇增大。
陰離子表面活性劑親水基團的種類有限,而疏水基團可以由多種結構構成,故種類很多。陰離子表面活性劑一般具有良好的滲透、潤濕、乳化、分散、增溶、起泡、抗靜電(diàn)和潤滑等性能,用作洗滌(dí)劑有良好的去污能力。
1.1 高級(jí)脂肪酸鹽(yán)
肥皂即屬高級(jí)脂肪酸鹽,其化學式爲RCOOM。這裏R爲烴基,可以是飽(bǎo)和的,也可以是不飽(bǎo)和的,其碳數在5~22之間。M爲金屬原子,一般爲鈉,也可以是鉀或铵。
肥皂爲典型的陰離子表面活性劑(jì),它是以油脂與堿的水溶液加熱起皂化反應制得的。此外,也可先将油脂水解,分離出脂肪酸,然後(hòu)再用堿中和制取。
所使用的油脂,可以是動物油脂如牛油,也可以是植物油脂如椰子油、棕榈油、米糠油、大豆油、花生油、硬化油等。皂化所使用的堿可以是氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水。用氫氧化鈉皂化油脂得到的肥皂稱爲鈉皂,而用氫氧化鉀或氨水皂化油脂得到的肥皂分别叫做鉀皂和铵皂。洗滌用肥皂一般爲鈉皂,化妝用肥皂爲鉀皂和铵皂,鈉皂質地較鉀皂硬,铵皂最軟。此外肥皂的性質還與脂肪酸部分的烴基組成有關,脂肪酸的碳鏈越長,飽(bǎo)和度越大,凝固點越高,用其制成的肥皂越硬。例如用硬脂酸、月桂酸和油酸制成的三種肥皂中,硬脂酸皂最硬,月桂酸皂次之,油酸皂最軟。硬脂酸鈉爲具有脂肪氣味的白色粉末,疏水性強,難溶於(yú)冷水,易溶於(yú)熱水和熱乙醇中,在低溫下去污力差,主要用作化妝品乳化劑。硬脂酸的鉀鹽和铵鹽也用於(yú)此目的。油酸鈉由於(yú)分子中有雙鍵,所以分子的極性大,親水性好,易溶於(yú)水,去污力也較好。月桂酸鉀是淡黃色漿狀物,易溶於(yú)水,起泡力大,主要用於(yú)液體皂和香波生産,也常用作乳化劑。除簡單的脂肪酸皂外,也可用多羧酸制造具有某些特殊作用的肥皂,這種多羧酸皂在膠片生産中用作潤濕劑。用三乙醇胺與油酸制成的油酸三乙醇胺皂爲淡黃色漿狀物,溶於(yú)水,易氧、化變質,常用作乳化劑。揮發性胺的脂肪酸鹽主要用於(yú)上光劑,铵鹽水解生成的遊離胺揮發後,表面塗層中留下疏水物質,可提高表面的抗水性能。松香酸與純堿溶液中和形成的松香皂易溶於(yú)水,有較好的抗硬水能力和潤濕能力,主要用於(yú)洗滌肥皂生産中。
1.2 磺酸鹽(yán)
磺酸鹽型表面活性劑的化學式爲R-SO3Na,式中R碳數在8~20之間。這類表面活性劑易溶於(yú)水,在酸性溶液中也不發生水解,有良好的發泡能力,用於(yú)生産(chǎn)洗滌劑,産(chǎn)品去污能力好。
(1)烷基苯磺酸鹽烷基苯磺酸鹽是有代表性的陰離子系表面活性劑。按烷基的結構可将其分爲支鏈烷基苯磺酸鹽和直鏈烷基苯磺酸鹽。支鏈的爲硬性型,直鏈的爲軟性型,一般将硬性型的稱(chēng)爲硬性ABS,或略稱(chēng)ABS;軟性型的稱(chēng)爲軟性ABS,或略稱(chēng)LAS。烷基苯磺酸鹽在硬水中不與鈣、鎂離子形成沉澱,既耐酸又耐堿,有良好的去污力、滲透力、潤濕力和起泡力。工業上用的烷基苯磺酸鹽表面活性劑主要是十二烷基苯磺酸鹽,如鈉鹽、铵鹽。烷基苯磺酸鹽的制法包括烷基化、磺化、中和等過程。烷基化是以氟化氫或氯化鋁爲催化劑,将苯與碳原子數爲12個左右的烯烴或氯代烷烴進行反應制成烷基苯的過程;磺化是将烷基苯與濃硫酸、發煙硫酸或三氧化硫進行反應生成烷基苯磺酸的過程;中和一般是用20%氫氧化鈉對烷基苯磺酸進行中和反應的過程,根據需要還要用次氯酸鈉對中和産(chǎn)物進行脫色。
十二烷基苯磺酸鈉爲白色粉末,易溶於(yú)水,有良好的洗滌去污能力和發泡性能。大量用於(yú)洗衣粉和家用洗淨劑中,也可适量配入香波和泡沫浴等;在纖維工業中可用作煮練劑、洗手劑、染色助劑;在金屬電鍍過程中用作金屬脫脂劑;在造紙工業中用作樹脂分散劑、毛氈洗滌劑、脫墨劑;在農藥生産(chǎn)中用作乳化劑、顆粒劑和可濕性粉末劑用的分散劑;在皮革工業上用作滲透脫脂劑;在肥料工業中用作防結塊劑;在水泥工業中用作加氣劑等諸多方面或單獨使用,或作爲配合成分使用。ABS和LAS在去污方面幾乎沒有什麽不同,但前者生物降解性明顯低於(yú)後者。
(2)烷基磺酸鹽烷基磺酸鹽與烷基苯磺酸鹽相比,耐硬水穩定性和生物降解性均好些,洗滌去污能力大緻相同。早期,烷基磺酸的工業規模生産是在德國首先實現的,在特殊反應器中於(yú)紫外線照射下烷烴經氯磺化反應制得,現在主要採(cǎi)用磺氧化方法制取。正烷烴在紫外線照射下與二氧化硫和氧反應,但在生成烷基磺酸鈉的同時,二氧化硫、氧與水反應生成硫酸。然後以苛性鈉中和,産物爲膏狀體。本法由於(yú)不使用氯氣,副産物少,可以簡化提純工藝,降低成本。
琥珀酸酯磺酸鈉也屬該類表面活性劑,烴基中碳數爲4~8。其代表物爲二辛基琥珀酸酯磺酸鈉,它是白色軟蠟狀物,易溶於(yú)水和乙醇,在硬水中穩定,洗滌和發泡性能好,無毒性,對皮膚刺激性小,有良好的潤濕性能,多用於(yú)香波、泡沫浴和牙膏生産(chǎn)中。
(3)a-烯烴磺酸鹽a-烯烴磺酸鹽簡稱(chēng)AOS,爲鏈烯基磺酸鹽和羟基烷基磺酸鹽的混合物。其制法是以三氧化硫等作磺化劑,對(duì)“α-烯烴進行磺化,然後将含有磺内酯的反應混合物用苛性鈉進行中和、水解。
AOS的碳鏈中碳數爲15~18時,該(gāi)表面活性劑(jì)具有優異的去污力、起泡力和滲透力,其中以C16的AOS在硬水中去污力最好。起泡力最高。
AOS較烷基苯磺酸鹽的生物降解性好,對皮膚的刺激性低、毒性小,用作洗滌(dí)劑可使織物有良好的手感,此外還能防止粉狀洗滌(dí)劑結塊。AOS廣泛用作粉狀合成洗滌(dí)劑、廚(chú)房用洗滌(dí)劑和香波等的原料,現在也用作工業用合成洗滌(dí)劑的原料。
(4)脂肪酸乙酯磺酸鹽脂肪酸乙酯磺酸鈉由環氧乙烷與亞硫酸氫鈉反應生成烴乙基磺酸鈉,經幹燥後再與脂肪酸酯化其烴基即得。脂肪酸乙酯磺酸鈉對皮膚刺激性很小、性溫和,主要用於(yú)合成香皂及香波生産(chǎn)中。
(5)仲醇聚氧乙烯醚琥珀酸酯磺酸鹽 仲醇聚氧乙烯醚琥珀酸酯磺酸鹽是陰離子表面活性劑的新品種。l985年由原輕工業部研制成功,l987年獲原輕工業部技術進步三等獎。該産(chǎn)品爲淺黃色黏稠液體,具有表面張力低、去污力高、泡沫觸(chù)感柔嫩、抗硬水性強的性能。此外,性溫和,對眼睛、皮膚的刺激性極低,因此,适合用作香波、嬰兒用洗滌劑、泡沫浴和絲、毛洗滌等家用洗滌劑的原料,也可作爲工業用特殊的乳化劑。
此外,雙-2-乙基己醇琥珀酸酯磺酸鈉也具有與其相似的結構(gòu)。乙基己醇琥珀酸酯磺酸鈉具有極(jí)佳的滲透力,除用作滲透劑外,也部分用作乳化劑。
(6)石油磺酸鹽 石油磺酸鹽是各種磺酸鹽的混合物,主要成分爲烷基苯磺酸鹽和烷基萘磺酸鹽,其次爲脂肪烴的磺酸鹽、環烴的磺酸鹽及其氧化物等。石油磺酸鹽大都爲油溶性,常用於(yú)切削油,在農藥中用作乳化劑,在礦物浮選中用作泡沫劑,在燃料油中用作分散劑,高分子量的用作金屬防鏽油中的防蝕劑。大量的石油磺酸鈉用於(yú)石油開採(cǎi),特别是3次採(cǎi)油提高採(cǎi)收率。
(7)N,N-油酰甲基牛磺酸鈉 N,N-油酰甲基牛磺酸鈉是化學名稱(chēng),我國的商品名稱(chēng)爲209洗滌(dí)劑,國外商品名爲伊蓋明T(Lgepon T)。209洗滌(dí)劑既有一般陰離子合成洗滌(dí)劑的特性,又有天然油脂肥皂的特征。它是由N-甲基牛磺酸鈉與油酰氯反應制得的。
N,N-油酰甲基牛磺酸鈉爲液狀或漿狀體,.也可噴霧幹(gàn)燥成爲奶白色粉末狀物,在紡(fǎng)織工業中用作染料助劑、洗絨劑、精練劑等。
(8)丁基萘磺酸鈉 丁基萘磺酸鈉俗稱拉開粉,它屬於(yú)烷基芳基磺酸鹽的一種,具有良好的潤濕力、乳化力和分散力。拉開粉Bx是較常用的一種拉開粉,主要成分爲l,2-二丁基萘-6-磺酸鈉(有文獻報(bào)道是l,4-二丁基萘-6-磺酸鈉),爲米白色或微黃色粉末,易溶於(yú)水,耐酸、堿和硬水。在紡織、印染、皮革、造紙工業以及農藥中用作潤濕劑,在塗料和油墨等工業中用作分散劑,在合成橡膠工業中用作乳化劑。拉開粉Bx由丁醇、萘與發煙硫酸作用後用苛性鈉中和制得。.
(9)脂肪酰胺磺酸鈉 脂肪酰胺磺酸鈉代表産(chǎn)品爲Lissapo1LS(國外産(chǎn)品商品名),國内稱(chēng)爲淨洗劑LS。淨洗劑LS的制法是将對氨基苯甲醚進行磺化,再與油酰氯進行縮合,最後以苛性鈉中和。
淨洗劑LS具有良好的洗滌(dí)力、乳化力、滲透力、起泡力,也具有很好的勻染、柔軟性能,對鈣皂分散力強,耐酸、耐堿、耐硬水、耐電(diàn)解質和耐熱等性能均好,但耐氧化劑性能較差。在印染工業中,淨洗劑LS用作毛織物的淨洗劑,織物經其洗後手感柔欽;也用作棉織物印花後的淨洗劑、還原染料和酸性染料的勻染劑。
1.3 硫酸酯鹽(yán)
硫酸酯鹽表面活性劑的化學通式爲ROS03M,式中M爲Na、K、N(CH2CH2OH)3,碳鏈中碳數爲8~18。硫酸酯鹽表面活性劑具有良好的發泡力和去污力,耐硬水性能好,其水溶液呈中性或微堿性,主要用於(yú)洗滌(dí)劑中。
(1)脂肪醇硫酸酯鹽 脂肪醇硫酸酯鹽簡稱(chēng)AS,與肥皂比較,脂肪醇硫酸酯鹽溶解性大,即使在高濃度水溶液中也不會形成像肥皂那樣的凝膠,而保持液體狀态。水溶液呈中性,耐硬水,在堿性至弱酸性條件下不水解,性能穩定。脂肪醇硫酸酯鹽的制法是将脂肪醇經硫酸化後用堿中和。在工業生産(chǎn)中難以使脂肪醇l00%硫酸化,制得的硫酸化物一般爲80%~90%,所以脂肪醇硫酸酯鹽常含有未反應的脂肪醇,還含有副産(chǎn)物十水合硫酸鈉。如以三氧化硫或氯磺酸作硫酸化劑,産(chǎn)物中幾乎不含副産(chǎn)物。
最有代表性的脂肪醇硫酸酯鹽是十二烷基硫酸鈉,或稱月桂醇硫酸酯鈉,爲白色粉末,有特征氣味,易溶於(yú)水。可用作家庭洗滌劑、化妝品和藥物的乳化劑、起泡劑。其铵鹽和三乙醇胺鹽可用於(yú)清潔劑和起泡劑,香波中含有羟基和不飽(bǎo)和雙鍵的脂肪酸或其酯類經硫酸化後同樣可制得硫酸酯鹽。這種硫酸酯鹽與高級醇酸酯鹽有很大的不同,這是因爲其親水的硫酸基靠近分子中間,故其洗滌力較差。
此外,也可用烯烴爲原料進行硫酸化來制備(bèi)仲醇硫酸酯鹽。這種産品極易溶於(yú)水,可得到濃溶液,有良好的起泡力,主要用於(yú)液體洗滌劑的生産。
磺化蓖麻油是蓖麻油經硫酸化的産(chǎn)物,屬脂肪醇硫酸酯鹽。磺化蓖麻油最早是作土耳其紅的染色助劑使用的,故又稱(chēng)土耳其紅油。
磺化蓖麻油的原料是蓖麻油,将蓖麻油與濃硫酸在低溫下進行反應,反應後(hòu)用水或食鹽、芒硝等濃溶液洗滌(dí)除去多餘的硫酸,分離後(hòu)用堿中和即得磺化蓖麻油。
在制造磺化蓖麻油時,由於(yú)伴随發生各種副反應,所以産(chǎn)物的組成極爲複雜,通常在磺化蓖麻油中含有未反應的蓖麻油、蓖麻油脂肪酸鹽、蓖麻油脂肪酸硫酸酯鹽、二羟基硬脂酸鹽、二羟基硬脂酸硫酸酯鹽、雙蓖麻酸鹽、多聚蓖麻酸鹽、多聚蓖麻酸硫酸酯鹽和内酯等。
磺化蓖麻油溶解度大,較(jiào)一般肥皂的耐硬水性和耐酸性好,潤(rùn)濕力和滲透力也好,乳化力也高,但去污力較(jiào)肥皂差。
在紡(fǎng)織工業中,磺化蓖麻油用作織布油劑(jì)、·纖維整理劑(jì)、柔軟劑(jì)、潤滑劑(jì)、潤濕劑(jì)、染色助劑(jì)等;在皮革工業中用作光亮劑(jì)、柔軟劑(jì)等;在農藥、金屬工業中用作乳化劑(jì)等。
(2)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉簡稱AES,在結構上與脂肪醇硫酸酯鹽相似,起泡力好,但潤濕力差。它是由脂肪醇和環氧乙烷起加成反應後經硫酸化,再用堿中和制得的。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉由於(yú)在分子中接有聚乙二醇鏈,所以其溶解性和起泡力均有提高,性能也較溫和,並(bìng)具有良好的增溶性。在化妝品工業中,用於(yú)香波和洗淨劑生産;在洗滌劑工業中,用於(yú)生産廚房洗滌劑。
(3)脂肪胺聚氧乙烯硫酸鈉脂肪胺聚氧乙烯硫酸鈉的代表産(chǎn)品爲Lipoto1 SK。Lipoto1 SK具有良好的去污力,适合作絲綢(chóu)、錦綸織物印染後的淨洗劑。
(4)3-酰基甘油-l,2-二硫酸酯鹽(yán)
3-酰基甘油-l,2-二硫酸酯鈉是用單(dān)月桂酸甘油酯或單(dān)硬脂酸甘油酯與三氧化硫作用,再用堿(jiǎn)中和制得。
該表面活性劑吸水性較強,不适合用於(yú)顆粒狀洗滌品的生産(chǎn),主要用於(yú)生産(chǎn)輕垢液體洗滌劑。
1.4 脂肪酸酰氯與(yǔ)蛋白質水解物縮(suō)合物
脂肪酸酰氯與氨基酸鈉進行縮合反應可獲(huò)得性能溫和、洗滌(dí)力和起泡力均好的陰離子表面活性劑,如油酰氨基酸鈉、月桂酰肌氨酸鈉和N-油酰甘氨酰甘氨酸鈉等。
(1)油酰氨基酸鈉 油酰氨基酸鈉國外商品名稱爲Lamepon A,國内稱爲雷米邦A,也叫613洗滌劑。工業生産方法是将未著(zhe)色的鉻鞣皮屑、蠶蛹或蛋白質含量較多的物料水解爲氨基酸,再經去鈣、濃縮氨基酸,與油酰氯進行縮合而得。雷米邦A具有較好的去污力,耐硬水和堿,在強酸中發生分解。在毛紡、絲綢、合成纖維、印染工業中用作洗滌劑、乳化劑、擴散劑;在棉紡工業中用於(yú)縮絨、煮練、上漿、退漿、習染工序;在皮革工業中用作脫脂劑;在金屬加工工業中用作金屬表面去油劑。用於(yú)洗滌蛋白質纖維織物,洗後柔軟、有光澤、有彈性。由於(yú)雷米邦A性溫和,對皮呋無刺激,所以也适用於(yú)生産皮膚清潔劑和護膚香脂。此外,還可胃作鈣皂分散劑。
(2)月桂酰肌氨酸鈉 月桂酰肌氨酸鈉由月桂酰氯和肌氨酸鈉縮合而得。月桂酰肌氨酸鈉爲白色粉末,溶於(yú)水,能産(chǎn)生大量泡沫,有阻止發酵的能力,可用於(yú)牙膏生産(chǎn)。
(3)N-油酰甘氨酰甘氨酸鈉是以油酰氯和N-甘氨酰甘氨酸縮合而成,油酰甘氨酰甘氨酸鈉性溫和,具有良好的去污力,主要用於(yú)香波生産(chǎn)中。
1.5 磷酸酯鹽(yán)
磷酸酯爲陰離子表面活性劑,分子中有磷酸酯鍵。磷酸是三元酸,所以有單酯、雙酯和三酯三種類型。三酯是非離子表面活性劑,但由於(yú)制造方法上的原因,制得的三酯是含有單酯和雙酯的混合物,所以,一般将其歸屬於(yú)陰離子表面活性劑。磷酸酯型陰離子表面活性劑的性質随脂肪醇的種類,單酯、雙酯和三酯所占的比率以及鹽的種類不同而變(biàn)化。與脂肪醇硫酸酯鹽比較,磷酸酯鹽耐熱、耐酸性能良好,對皮膚也較溫和,刺激性小。
磷酸酯鹽的制法是将脂肪醇與磷酸化劑進行反應,然後用堿中和而制得。磷酸化劑除聚磷酸外還有五氧化二磷和磷酰氯。用五氧化二磷作磷酸化劑可制得單(dān)酯和雙酯的混合物。用磷酰氯作磷酸化劑時可制得單(dān)酯、雙酯和三酯的混合物,調節醇和磷酰氯的比率,可制得高純(chún)度的三酯。若以脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚代替脂肪醇時,制得相應的三酯非離子表面活性劑,主要用在不希望有陰離子的特殊用途上。
磷酸酯鹽表面活性劑一般較少單(dān)獨使用,大多數是作爲各種用途的配合成分使用。由於(yú)磷酸酯鹽對硬表面有極好的洗淨性能,故可用於(yú)金屬洗淨和電鍍;又由於(yú)它易溶於(yú)有機溶劑,故還可與溶劑配合用作幹洗洗滌劑;還可用作乳化劑、增溶劑、抗靜電劑和抗蝕劑,以及合成樹脂、塗料等的顔料分散劑等。