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什么是表面活性剂

表面活性剂是降低两种液体、气体和液体、或液体和固体之间的表面张力（或界面张力）的化合物。 表面活性剂可用作洗涤剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂或分散剂。

增加表面张力的试剂字面意思是“表面活性剂”，但不称为表面活性剂，因为它们的作用与通常的含义相反。 增加表面张力的一个常见例子是盐析：通过将无机盐添加到极性较小的物质的水溶液中，该物质会沉淀。 该物质本身可能是一种表面活性剂——这是许多表面活性剂在海水中无效的原因之一。

表面活性剂的组成和结构

覆盖胶束的表面活性剂分子的极性“头”与水的相互作用更强烈，因此它们形成亲水外层，在胶束之间形成屏障。 这会抑制油滴（胶束的疏水核心）聚结成更少、更大的胶束液滴（“破裂”）。 包覆胶束的化合物通常是两亲性的，这意味着胶束可以充当非质子液滴稳定溶剂（例如水包油）或质子溶剂（例如油包水）。 当液滴为非质子时，有时称为反胶束。

表面活性剂通常是两亲性有机化合物，这意味着它们同时含有疏水基团（其尾部）和亲水基团（其头部）。 因此，表面活性剂既含有水不溶性（或油溶性）成分，又含有水溶性成分。 表面活性剂会在水中扩散，并在水和油混合、空气和水之间或油和水之间的界面处吸附。 水不溶性疏水基团可以延伸出本体水相、进入空气或进入油相，而水溶性头部基团保留在水相中。

世界表面活性剂的年产量估计为1500万吨，其中大约一半是肥皂。 其他特别大规模生产的表面活性剂有直链烷基苯磺酸盐（170万吨/年）、木质素磺酸盐（60万吨/年）、脂肪醇乙氧基化物（70万吨/年）和烷基酚乙氧基化物（50万吨/年）。

硬脂酸钠是大多数肥皂中见的成分，约占商业表面活性剂的 50% 4-(5-十二烷基)苯磺酸盐，一种直链十二烷基苯磺酸盐，见的表面活性剂之一

水中表面活性剂相的结构

在本体水相中，表面活性剂形成聚集体，例如胶束，其中疏水尾部形成聚集体的核心，而亲水头部与周围液体接触。 也可以形成其他类型的聚集体，例如球形或圆柱形胶束或脂质双层。 聚集体的形状取决于表面活性剂的化学结构，即亲水头和疏水尾之间的尺寸平衡。 其衡量标准是亲水亲油平衡（HLB）。 表面活性剂通过在液-气界面吸附来降低水的表面张力。 连接表面张力和表面过剩的关系称为吉布斯等温线。

表面活性剂动力学

表面活性剂吸附动力学对于实际应用非常重要，例如在发泡、乳化或涂覆过程中，其中气泡或液滴快速产生并需要稳定。 吸收动力学取决于表面活性剂的扩散系数。 随着界面的形成，吸附受到表面活性剂向界面扩散的限制。 在某些情况下，表面活性剂的吸附或解吸可能存在能量势垒。 如果这样的屏障限制了吸附速率，则动力学被称为“动力学限制”。 这种能量势垒可能是由于空间或静电排斥造成的。 表面流变性表面活性剂层的弹性和粘度对于泡沫和乳液的稳定性起着重要作用。

界面和表面活性剂层的表征

界面张力和表面张力可以通过经典方法如悬垂法或旋转滴法来表征。动态表面张力，即表面张力作为时间的函数，可以通过xxx气泡压力装置获得

表面活性剂层的结构可以通过椭圆光度法或X射线反射率来研究。

表面流变性可以通过摆动滴法或剪切表面流变仪（例如双锥、双环或磁棒剪切表面流变仪）来表征。

在生物学中

人体会产生多种表面活性剂。 肺表面活性物质在肺部产生，通过增加肺总量和肺顺应性来促进呼吸。 在呼吸窘迫综合征 (RDS) 中，表面活性剂替代疗法通过使用药物形式的表面活性剂帮助患者正常呼吸。 药用肺表面活性剂的一个例子是 ( ) 或其通用形式，分别由 Abbvie 和 Tekzima 制造。 胆汁盐是肝脏产生的一种表面活性剂，在消化中发挥重要作用。

安全和环境风险

大多数阴离子和非离子表面活性剂都是无​​毒的，其 LD50 与食盐相当。 具有抗菌和抗真菌作用的季铵化合物的毒性各不相同。 用作织物柔软剂的二烷基二甲基氯化铵（DDAC、DSDMAC）的LD50较低（5克/千克），基本上无毒，而消毒剂烷基苄基二甲基氯化铵的LD50为0.35克/千克。 长时间接触表面活性剂会刺激和损伤皮肤，因为表面活性剂会破坏保护皮肤和其他细胞的脂质膜。 一系列非离子、两性、阴离子和阳离子表面活性剂通常会增加皮肤刺激。

表面活性剂通常以多种方式沉积在土地和水系统中，或者作为预期过程的一部分，或者作为工业和家庭废物。

由于污水污泥的应用、废水灌溉和修复过程，土壤中可以发现阴离子表面活性剂。 相对较高浓度的表面活性剂与多金属一起可能会造成环境风险。 在低浓度下，表面活性剂的应用不太可能对痕量金属的迁移率产生显着影响。

在深水地平线漏油事件期间，的数量的 Corexit 被直接喷洒到泄漏地点和海面的海洋中。 显而易见的理论是表面活性剂隔离油滴，使耗油微生物更容易消化油。 Corexit 的活性成分是二辛基磺基琥珀酸钠 (DOSS)、脱水单油酸酯 (Span80) 和聚氧乙烯脱水单油酸酯 (Tween-80)。

可生物降解

由于大量表面活性剂释放到环境中，它们的生物降解性引起了人们的极大兴趣。 促进降解的策略包括臭氧处理和生物降解。 两种主要的表面活性剂，直链烷基苯磺酸盐 (LAS) 和烷基酚乙氧基化物 (APE)，在污水处理厂和土壤中发现的有氧条件下会分解为壬基酚，这被认为是一种内分泌干扰物。 对可生物降解的表面活性剂的兴趣引起了人们对“生物表面活性剂”的极大兴趣，例如衍生自氨基酸的那些。

令人非常关注的是全氟辛酸（PFOA）等含氟表面活性剂的不可生物降解性。

表面活性剂的应用

2008年，表面活性剂年产量为1300万吨。 2014年，世界表面活性剂市场规模超过330亿美元。市场研究人员预计，到2022年，年收入将每年增长2.5%，达到约404亿美元。目前商业上最重要的一类表面活性剂是阴离子表面活性剂LAS，广泛用于清洁剂中和洗涤剂。

表面活性剂在许多实际应用和产品中作为洗涤剂、润湿剂、分散剂、乳化剂、起泡剂和消泡剂发挥着重要作用，包括洗涤剂、织物柔软剂、机油、乳液、肥皂、油漆、粘合剂、油墨、防雾剂、滑雪蜡、滑雪板蜡、再生纸脱墨、浮选、洗涤和酶处理以及泻药。 还有农业化学制剂，如除草剂（一些）、杀虫剂、杀菌剂（消毒剂）和杀精剂（-9）。 个人护理产品，例如化妆品、洗发水、沐浴露、护发素和牙膏。 表面活性剂用于消防和管道（液体减阻剂）。 碱性表面活性剂聚合物用于调动油井中的石油。

表面活性剂的作用是排出棉垫和绷带基质中的空气，以便药物溶液可以被吸收并应用于身体的各个部位。 他们还通过在清洗伤口时使用清洁剂以及在皮肤和粘膜表面使用含药乳液和喷雾剂来清除污垢和碎片。

生物化学和生物技术中的洗涤剂

在溶液中，去污剂通过解离聚集体和展开蛋白质来帮助溶解各种化学物质。 生化实验室常用的表面活性剂有十二烷基硫酸钠（SDS）和十六烷基三甲基（CTAB）。 洗涤剂是通过裂解细胞和组织提取蛋白质的关键试剂：它们破坏膜的脂质双层（SDS、TritonX-100、X-114、CHAPS、DOC 和 NP-40）并溶解蛋白质。 辛基芥子油苷、辛基葡糖苷或十二烷基麦芽糖苷等较温和的去污剂可用于溶解膜蛋白（如酶和受体）而不使其变性。 通过离心或其他方式收获不溶解的物质。 例如，对于电泳，蛋白质通常用 SDS 处理，使其天然三级和四级结构变性，从而根据蛋白质的分子量分离蛋白质。

洗涤剂也用于使器官脱细胞。 这个过程维持了蛋白质基质，从而保留了器官的结构，通常还保留了微血管网络。 该过程已成功用于制备用于大鼠移植的肝脏和心脏等器官。 肺表面活性物质也由哺乳动物肺泡的 II 型细胞自然分泌。

量子点制备

表面活性剂与量子点一起使用来控制其生长、组装和电性能，并介导其表面的反应。 关于表面活性剂如何排列在量子点表面的研究正在进行中。

基于液滴的微流体中的表面活性剂

表面活性剂在基于液滴的微流体中发挥着重要作用，可稳定液滴并防止液滴在孵化过程中融合。

表面活性剂的分类

许多重要的表面活性剂包括以高极性阴离子基团封端的聚醚链。 聚醚基团通常含有插入的乙氧基化（聚环氧乙烷）序列以增加表面活性剂的亲水特性。 相反，可以插入聚环氧丙烷以增加表面活性剂的亲脂性。

表面活性剂分子有一个尾部或两个尾部； 有两条尾巴的称为双链。

表面活性剂根据其头部成分分为：非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型。

见的是，表面活性剂根据其极性头基进行分类。 非离子表面活性剂的头部没有带电基团。 离子表面活性剂的头部带有净正电荷或负电荷。 如果电荷为负，则更具体地称为阴离子表面活性剂； 如果电荷为正，则称为阳离子。 如果表面活性剂的头部带有两个带相反电荷的基团，则称为两性离子。

阴离子表面活性剂的头部含有阴离子官能团，如硫酸根、磺酸根、磷酸根和羧酸根。 主要的烷基硫酸盐包括月桂基硫酸铵、月桂基硫酸钠（月桂基硫酸钠，SLS或SDS），以及相关的烷基醚硫酸盐月桂基醚硫酸钠（月桂基醚硫酸钠或SLES）和肉豆蔻酸硫酸钠。

其他包括：

羧酸盐是见的表面活性剂，包括硬脂酸钠等羧酸盐（肥皂）。 更专业的品种包括月桂酰肌氨酸钠和基于羧酸盐的含氟表面活性剂，例如全氟壬酸酯、全氟辛酸酯（PFOA 或 PFO）。

阳离子头基

xxx带电季铵盐：溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)、氯化十六烷基吡啶(CPC)、(BAC)、苄索氯铵(BZT)、二甲基十八烷基氯化铵和十八烷基二甲基(DODAB)。

两性离子表面活性剂

两性离子（两性）表面活性剂在同一分子上同时具有阳离子和阴离子中心。 阳离子部分基于伯胺、仲胺或叔胺或季铵阳离子。 阴离子部分可以有更多的变化，包括磺酸盐，如磺基甜菜碱 CHAPS（3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基铵]-1-丙磺酸盐）和椰油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱。 甜菜碱如椰油酰胺丙基甜菜碱具有带有铵的羧酸盐。 见的生物两性离子表面活性剂具有带有胺或铵的磷酸根阴离子，例如磷脂酰、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰和鞘磷脂。

月桂基二甲基氧化胺和肉豆蔻基氧化胺是叔胺氧化物结构类型的两种常用的两性离子表面活性剂。

非离子型

非离子表面活性剂具有与疏水性母体结构键合的共价键合的含氧亲水基团。 氧基团的水溶性是氢键作用的结果。 氢键随着温度升高而减少，因此非离子表面活性剂的水溶性随着温度升高而降低。

与阴离子表面活性剂相比，非离子表面活性剂对水硬度的敏感度较低，并且起泡能力较弱。 各种类型的非离子表面活性剂之间几乎没有什么区别，其选择主要取决于特定特性的成本（例如有效性和效率、毒性、皮肤病学相容性、生物降解性）或在食品中使用的批准。