表面活性剂：基本作用简介

表面活性剂在染整加工中应用十分广泛。下面就表面活性剂的润湿、渗透、乳化、分散、增溶、洗涤、起泡和消泡等作用原理加以讨论。

（一）润湿和渗透作用

在一块洁净的玻璃上滴一滴水，水滴在玻璃表面上迅速展开，这种现象说明水能润湿玻璃。若在玻璃表面涂上一层薄薄的石蜡，则水滴仍保持球状而不在石蜡表面展开，说明水不能润湿石蜡表面。如果在石蜡表面滴一滴含有少量渗透剂JFC等表面活性剂的水溶液，则石蜡表面也能被水溶液润湿，这种情况下表面活性剂所起的作用称为润湿作用。

将水滴滴在坯布上，水滴呈球状，也属于不润湿。若将含有少量渗透剂JFC等表面活性剂的水溶液滴在坯布上，则水滴很快在坯布上展开并渗透到坯布的内部，把空气取代出去，这种情况下表面活性剂所起的作用称为渗透作用。

润湿作用与渗透作用并无本质上的区别。前者作用在物体的表面，后者作用在物体内部，两者可使用相同的表面活性剂，因而润湿剂也可称为渗透剂。

表面活性剂之所以具有润湿和渗透作用，是由于表面活性剂显著地降低了水的表面张力的缘故。下面就液滴在固体平面上的润湿作一简要分析。液滴在固体平面上达到平衡时的情况如图2-6所示。

图2-6　接触角与界面张力之间的关系

设O点是空气、液滴和固体三相交界处上的任意一点，该点受到固体表面张力γs，液体表面张力γL和固—液界面张力γSL的作用。自O点沿液滴表面作一切线，该切线与固体平面的夹角θ称为接触角。当液滴在固体平面上平衡时，若忽略液滴重力的影响，作用于O点上的力应保保持下面关系：

式（2-1）也叫润湿方程。

接触角可以衡量液体对固体的润湿程度。润湿越好，液滴在固体表面展开得越大，接触角越小；润湿越差，液滴在固体表面展开得越小，接触角越大。即：

当θ＝0时，液滴在固体表面铺展，称为完全润湿；

θ＝180°时，液滴呈球状，称为完全不润湿；

0＜θ＜90°时，液滴在固体表面上呈凸透镜状，称为润湿；

θ＞90°时，称不润湿。

由式（2-1）可知，θ受三个力γS、γSL和γL支配。其中固体表面张力γs为一常数，由固体的种类决定。因此，yL和γSLL越小，cosθ越大，θ越小，越有利于润湿。当水中加入表面活性剂，一方面，水的表面张力γL显著下降，另一方面，表面活性剂还能在水和固体的界面上起着类似桥梁的作用，增加了两者之间的相互吸引力，从而使固—液界面张力γSL降低。从润湿方程可以看出，这将使θ减小，故能显著提高对固体的润湿性。

但是，织物与一般固体平面不同，它是一个多孔体系，在织物内部、纱线之间、纤维之间，甚至纤维的巨原纤之间都分布着无数相互贯通、大小不同的毛细管。在印染加工过程中，织物的润湿情况往往用毛细管效应来衡量。在典型的毛细管效应中，液柱在毛细管中的向上拉力在数值上与液柱压力P相等。液柱压力P和液体表面张力γL、润湿角θ、毛细管半径r间的关系如下：

由式（2-2）可知，若液体能润湿管壁，θ＜90°，cosθ＞0，P为正值，液体能在毛细管内上升。如果液体对管壁的润湿情况很差，θ＞90°，cosθ＜0，P为负值，则液体在毛细管内不能上升。要使管内液面上升，需借助于润湿剂的作用。由式（2-1）和式（2-2）可得P＝2（γS—γSL）/r，润湿剂可以降低γSL，使P值增大，从而增进了织物的润湿性能。对织物来说，只要能产生良好的润湿，液体便能通过相互贯通的毛细管自动发生渗透作用，从而有利于染整加工的进行。以上讨论是大大简化了的情况，由于纤维表面并不是平滑的，织物的空隙也不是规则有序的，因此织物润湿的实际情况要复杂得多。

（二）乳化和分散作用

将一种液体以极细小的液滴均匀分散在另一种与其互不相溶的液体中所形成的分散体系，称为乳液或乳状液，这种作用称为乳化作用。将不溶性固体物质的微小粒子均匀地分散在液体中所形成的分散体系，称为分散液或悬浮液，这种作用称为分散作用。乳液和分散液的分散介质均为液体，只不过前者的内相（分散相）为液体，而后者的内相（分散相）为固体。

乳液有两种类型，一种是油呈细小的液滴分散在水中，水是连续相（外相），油是不连续相，称为水包油型或油/水型，以O/W表示；另一种是水呈细小的液滴分散在油中，油是连续相（外相），而水是不连续相，称为油包水型或水/油型，以W/O表示。在一定情况下，两者可以相互转化，称为转相。在染整加工中以油/水型乳液应用较广，下面重点讨论这方面的内容。

油和水接触时，两者分层，不能相溶。如果加以搅拌或振动，虽然油能变成液滴分散在水中，但由于两者的接触面积增加，表面能增大，从能量最低原理来看是一种很不稳定的体系，较小的油滴在相互碰撞时有自动聚集成较大油滴而减小其表面能的倾向，以致一旦停止搅拌或振荡，不需要静置多久，便又重新分为两层。因此乳液分层是一个自发过程。如果在油、水中加入一定量适当的表面活性剂（乳化剂），再加以搅拌或振荡，由于乳化剂在油—水界面上产生定向吸附，亲水基伸向水，亲油基伸向油，把两相联系起来，使体系的界面能下降，在降低界面张力的同时，乳化剂分子紧密地吸附在油滴周围，形成具有一定机械强度的吸附膜。当油滴碰撞时，吸附膜能阻止油滴的聚集。如果选用离子型的乳化剂，还会在油—水界面上形成双电层和水化层，都可防止油滴的相互聚集，从而使乳液稳定。如乳化剂肥皂在水包油型乳液中，肥皂分子的亲水基—COONa电离，使油滴周围带负电，而Na＋分布在其周围，形成双电层。由于油滴的双电层间有排斥作用，可防止油滴的互相聚集，使乳液稳定。肥皂作乳化剂时，其乳液情况如图2-7所示。若使用非离子型乳化剂，则会在油滴周围形成比较牢固的水化层，也具有类似的作用。

图2-7　肥皂作乳化剂时的乳液情况

（三）增溶作用

一些非极性的碳氢化合物如苯、矿物油等在水中的溶解度是非常小的，但却可以溶解在表面活性剂的胶束中，形成类似于透明的真溶液。表面活性剂的这种作用称为增溶作用。增溶作用实际上是根据性质相似相溶原理，使非极性的碳氢化合物溶解于胶束内疏水基团集中的地方。增溶与真正的溶解不同，真正的溶解是使溶质分散成分子或离子，而增溶则是以分子聚集体溶入的。

（四）洗涤作用

某些表面活性剂具有良好的洗涤去污能力，常被用作洗涤剂。但到目前为止，人们对洗涤作用的本质尚未彻底了解清楚，亦未能较精确地描述。通常将对织物洗涤作用的基本过程用下面的关系式描述：(www.xing528.com)

洗涤过程中，织物浸在含有洗涤剂的水溶液中，洗涤剂与污垢、污垢与固体表面之间发生一系列物理化学作用（润湿、渗透、乳化、增溶、分散和起泡等），并借助于机械搅动或揉搓作用，使污垢从织物表面脱离下来，分散、悬浮于水溶液中，再经漂洗除去，这是洗涤的主过程。洗涤过程是一个可逆过程，分散、悬浮于水溶液中的污垢也有可能从水溶液中重新沉积于织物表面，使织物变脏，这种现象称为污垢再沉积（或织物再沾污）。因此，一种优良的洗涤剂应具备两种作用：一是降低污垢与织物表面的结合力，具有使污垢脱离织物表面的能力；二是具有防止污垢再沉积的能力。

一般污垢可分为固体污垢（如尘土、砂、铁锈等）和液体污垢（如动、植物油和矿物油），两种污垢经常出现在一起，以混合污垢形式沾污织物。一般情况下，污垢与织物表面接触后不再分开，通过机械力、分子间力和化学键力三种方式中的一种或几种黏附于织物表面，而不同材料的织物表面与不同性质的污垢有不同的黏附强度。

固体污垢的去除主要是靠表面活性剂在固体质点（污垢）及织物表面吸附，使两者所带电荷相同，从而在两者之间发生排斥，特别是阴离子表面活性剂能增强纤维和污垢的负电荷，增加斥力，使黏附强度减弱，固体质点（污垢）变得易于从织物上去除。一般说来，固体污垢的质点越小，越不易去除。上述作用适用于无机固体污垢，对于有机固体污垢的去除，可用扩散溶胀机理来解释：表面活性剂与水分子渗入有机固体污垢后不断扩散，并使污垢发生溶胀、软化，再经机械作用，在水流冲击下脱落下来，经乳化洗除掉。

液体污垢及混合污垢是以铺展的油膜形式黏附于织物表面上的油性物质污垢，在洗涤时，由于洗涤剂的润湿作用，使其逐渐卷缩成油珠，然后在机械作用下脱离织物表面，如图2-8所示。图中θ为油污膜在水中的接触角，γWO、γSW和γSO分别为油—水、固—水、固—油的界面张力。

图2-8　洗涤剂的润湿作用

设织物表面为平滑的固体表面，由图2-8（a）可以看出，平衡时满足下列关系式：

在水中加入洗涤剂，由于洗涤剂中的表面活性剂在固体表面和油污表面上吸附，使γSw和γWO降低，而γSO未变。为维持新的平衡，-cosθ值必须增大，即接触角θ从小于90°变为大于90°。在某种适宜条件下，接触角接近180°，即洗涤剂几乎完全润湿固体表面时，油污膜变为油珠自行脱离，从固体表面除去。接触角90°＜θ＜180°时，油珠在液流冲带下亦可完全除去，如图2-9（a）所示。若液体油污与固体表面的接触角小于90°，即使有运动液流的冲击，仍有少部分油污残留于表面，如图2-9（b）所示。要除去残留的油污，需施以更大的洗液冲击力，或通过表面活性剂胶束的增溶作用来实现。

图2-9　油性污垢的去除

在实际洗涤中，衣物材料和油性污垢对表面活性剂的吸附量与去污效果有密切关系。当表面活性剂在油污上的吸附量大于在衣物材料上的吸附量时，γWO较γSO降低得很显著，油污容易去除。

衣物表面是不平整的，当油污进入穴孔时，即使θ为180°，油污也不会被除掉。

（五）起泡和消泡作用

气体分散在液体中所形成的分散体系称为泡沫。泡沫实际上是由少量液体薄膜包围着气体所组成的气泡聚集体。用力搅拌水时虽有气泡产生，但这种气泡是不稳定的，一旦停止搅拌，则气泡立即消失。这是因为空气—水界面张力大，相互之间的作用力小，气泡很容易被内部的空气冲破。若液体中含有表面活性剂，则形成的液膜不易破裂，因此在搅拌时就可以形成大量泡沫。例如，肥皂的水溶液经搅拌或吹入空气就可以形成较稳定的泡沫。

泡沫的形成是由于空气进入表面活性剂溶液中的瞬间而形成的疏水基伸向气泡内部，亲水基指向液相的具有一定强度的吸附膜。被吸附的表面活性剂对液膜有保护作用，使生成的泡沫比较稳定。形成的泡沫密度小于溶液密度而上升至液面。如果条件适当，当气泡溢出液面时，便形成双分子膜。被双分子膜包围起来的气泡浮于液面，甚至释入空气中。如图2-10所示。

在染整加工中起泡作用有其有利的一面，比如泡沫能增强洗涤剂的携污能力，减少再沾污现象，对洗涤起到一定的辅助作用。但在一般染整加工中，染液、色浆中的泡沫会造成染色和印花疵病，需加消泡剂破坏或抑制泡沫。消泡有两种方式，一种是破泡，即将生成的泡沫破除；另一种是抑泡，即抑制泡沫的产生。工业上常用的消泡剂都是表面张力小、易于在溶液表面铺展的液体。其消泡机理一般认为是由于消泡剂在液膜表面铺展时，会带走邻近表面的一层溶液，使液膜局部变薄，表面张力分布不匀，产生薄弱环节，从而使液膜破裂，泡沫消失。

图2-10　泡沫形成模型图

表面活性剂除了具有上述主要作用外，还有其他一些派生作用，如柔软、匀染、抗静电、杀菌防霉等作用，将在本书后面有关章节中论及。