表麵活性劑的性質和功能盡管表麵活性劑的結構不盡相同, 但它們(men) 具有相同的基本性質——吸附和聚集。溶於(yu) 水時, 表麵活性劑容易在空氣/水表麵吸附(富集), 形成排列整齊的單層膜(圖2(a))。除了空氣/水表麵, 表麵活...
表麵活性劑的性質和功能
盡管表麵活性劑的結構不盡相同, 但它們(men) 具有相同的基本性質——吸附和聚集。溶於(yu) 水時, 表麵活性劑容易在空氣/水表麵吸附(富集), 形成排列整齊的單層膜(圖2(a))。除了空氣/水表麵, 表麵活性劑還能夠在油/水界麵富集並降低界麵張力, 改變油/水界麵膜的結構和性質。在表麵活性劑的輔助下, 油、水能夠形成乳液, 廣泛應用於(yu) 日常生活和工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 。它們(men) 亦能夠吸附於(yu) 固體(ti) 表麵, 提高固體(ti) 基底的潤濕性。通過吸附降低表/界麵張力, 是表麵活性劑的基本性質之一。
表麵活性劑吸附於(yu) 空氣/水表麵形成單分子膜示意圖(a)以及表麵活性劑水溶液中形成的典型聚集體(ti) 結構(b)。圖(b)中，球形膠束和囊泡的一部分被切除, 以便揭示內(nei) 部結構。為(wei) 了更好地展示, 單分子膜和各聚集體(ti) 尺寸並未按同一表活劑的真實比例給出。
表麵活性劑過多、在空氣/水表麵達到飽和吸附的時候, 則容易在體(ti) 相聚集(aggregation)。由於(yu) 多數表麵活性劑會(hui) 首先聚集成膠束(micelle), 因而這一濃度稱為(wei) 臨(lin) 界膠束濃度(critical micellar concentration, cmc)。表麵活性劑所形成的聚集體(ti) 種類多樣, 具體(ti) 與(yu) 表麵活性劑的結構和濃度, 以及外在條件密切相關(guan) , 典型的如球形的、棒狀的、碟狀的和蟲狀的膠束；單層的或多層的囊泡；層狀的、六角狀的、立方狀的液晶, 以及包含三維網絡的凝膠等, 部分類型示意於(yu) 圖2(b)中。這種聚集過程, 因為(wei) 是自發的,因而也被稱為(wei) 自組裝(self-assembly)。這些結構是軟物質和納米科技領域的重要研究對象；同時, 由於(yu) 這種由無序到有序的自發轉變與(yu) 熵增定律背道而馳, 因而具有極高的科學研究價(jia) 值。
表麵活性劑典型功能, 以碳氫表麵活性劑為(wei) 例。(a) 增溶。分別為(wei) 稀土配合物在兩(liang) 性離子表麵活性劑蠕蟲狀膠束中的增溶(i)[19]和富勒烯C60在嵌段共聚物膠束中的增溶(ii)[20] 。(b) 陰離子表麵活性劑輔助分散單壁碳納米管模型(左)及分散液的熒光光譜(右) [21] 。(c) 烷基糖苷乳化-水體(ti) 係, 水相被染為(wei) 綠色, 被染為(wei) 紅色[22]。(d) 十八烷基蔗糖酯穩定的特級初榨橄欖油泡沫[23]。(e) Pluronic F127作為(wei) 軟模板與(yu) 矽納米顆粒作為(wei) 硬模板協同形成的Pt-Ru納米顆粒[24]
2、表麵活性劑的典型功能
表麵活性劑易於(yu) 吸附和自聚集的基本性質衍生出多種多樣的功能。表麵活性劑的疏水尾鏈能夠插入油汙以降低油/水界麵張力, 在機械攪動等輔助下, 進一步將其增溶, 形成溶脹的膠束或乳液。這正是其去汙的機理。洗滌, 在表麵活性劑許多應用場景中扮演著重要角色。日常生活中, 表麵活性劑廣泛存在於(yu) 各類洗滌用品如洗衣粉、洗潔精、洗發膏中, 是這類產(chan) 品的核心成分。工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 中, 從(cong) 車輛清洗到三次采油助劑, 無不利用了表麵活性劑的這一特性。在前沿基礎研究中, 用相同的原理, 可將結構複雜的難溶物溶解於(yu) 水中, 形成均一、穩定的溶液。典型的如稀土配合物[19]、富勒烯C60[20]等(圖3(a))。當不溶於(yu) 水的客體(ti) 尺寸較大時, 表麵活性劑不能輔助其徹底溶解, 而隻能包覆在其表麵, 起到分散、穩定的作用, 典型的如一維的、表麵疏水的碳納米管(圖3(b))[21]。當我們(men) 從(cong) 能量的角度來審視上述的過程, 可以發現, 這實際上是表麵活性劑降低固/液界麵界麵能的過程。同樣地, 表麵活性劑的兩(liang) 親(qin) 性保證了其在液液界麵上的吸附, 產(chan) 生降低液/液界麵能的效果, 典型的應用就是乳化。以圖3c中的體(ti) 係為(wei) 例, 水(綠色)和(紅色)互不相溶, 當向混合液中加入表麵活性劑烷基糖苷時, 與(yu) 水的界麵能降低, 這意味著即使水和的液/液界麵的麵積增大體(ti) 係也可以穩定存在, 因此, 可以以小尺寸液滴的形式存在水相之內(nei) , 形成穩定的乳狀液[22]。同理, 當不溶性氣體(ti) 被液體(ti) 分散(包裹)時, 可以形成泡沫體(ti) 係, 表麵活性劑對氣/液界麵界麵能(表麵張力)的降低對於(yu) 增強泡沫穩定性具有積極作用。得益於(yu) 表麵活性劑科學的發展, 目前發泡領域已經由水相擴展到油相, 發泡性能和泡沫穩定性也達到了較高的水平。一項近期的工作(圖3(d))展示了十八烷基蔗糖酯在特級初榨橄欖油發泡體(ti) 係中的良好發泡性和高溫穩定性, 相關(guan) 工作在食品科學領域具有重要應用價(jia) 值[23]。
在表麵活性劑溶液內(nei) 部, 表麵活性劑形成膠束後可以作為(wei) 一類優(you) 良的軟模板, 不僅(jin) 形成的結構均一穩定, 而且容易脫除, 在無機半導體(ti) 量子點、矽納米顆粒、分子篩等材料的合成中扮演著重要角色。有趣的是, 表麵活性劑軟模板還可以與(yu) 矽納米顆粒等硬模板協同使用, 例如, 在製備中空、介孔貴金屬材料時, 表麵活性劑可與(yu) 貴金屬鹽共同負載在硬模板表麵, 為(wei) 後續形成的貴金屬顆粒提供介孔模板[24]。這種方法形成的介孔金屬納米顆粒具有高的比表麵積, 是一種優(you) 良的電催化劑(圖3(e))。表麵活性劑形成的膠束內(nei) 部往往呈非(微)極性狀態, 當少量非極性組分加入表麵活性劑溶液時, 其可以被膠束包裹, 形成熱力學穩定的微乳液體(ti) 係。除了極高的穩定性, 微乳液還具有光學透明的特性, 因此,微乳液在負載油溶性藥物、開發膠體(ti) 光學等領域具有不可替代的作用[25]。在表麵活性劑濃度較高時, 還可形成不同類型的液晶, 稱之為(wei) 溶致液晶。作為(wei) 具有長程有序結構的軟材料, 液晶兼具液體(ti) 的流動性和晶體(ti) 的有序性, 以液晶為(wei) 模板合成的材料往往在結構上具有良好的可控性和可塑性, 因而在光學、生命科學、材料學和化妝品科學等領域均獲得了廣泛關(guan) 注[26]。
表麵活性劑在生命體(ti) 係中的應用也正在被廣泛發掘。陰離子表麵活性劑十二烷基鈉(SDS)是分離蛋白用凝膠劑的輔助成分；使用表麵活性劑作為(wei) 藥物載體(ti) 、高聚的酚類表麵活性劑作為(wei) 生物粘合劑、環境響應型表麵活性劑製備智能軟材料、表麵活性蛋白輔助基因工程等研究正在將古老的表麵活性劑與(yu) “生物的世紀”完美融合。近年來, 表麵活性劑在柔性電子器件、燃料電池、高效質子交換膜、節能降汙等領域亦大放異彩[27]。此外, 有些表麵活性劑還具有殺菌、抗靜電等多種功能。表麵活性劑性能的多樣化, 使其應用十分廣泛。除日化、洗滌、化妝品、石油助劑等領域, 表麵活性劑在農(nong) 藥乳劑、礦物浮選、紡織等行業(ye) 的使用也十分普遍, 因而有“工業(ye) 味精”的美譽。
需要指出的是, 有時人們(men) 對於(yu) 表麵活性劑性能的需求是截然相反的。就乳液而言, 有的體(ti) 係需要添加表麵活性劑增強其穩定性, 此時, 表麵活性劑被稱為(wei) 乳化劑；有的體(ti) 係又依賴表麵活性劑進行破乳, 此時, 表麵活性劑又被稱為(wei) 破乳劑；在泡沫體(ti) 係中, 表麵活性劑既可以被用於(yu) 增強發泡性能 (發泡劑)又可以被應用於(yu) 消泡過程(消泡劑)；有的表麵活性劑具有良好的生物相容性, 被應用於(yu) 食品、化妝品等領域, 有的表麵活性劑則具有強烈的殺菌效果, 可以實現應用於(yu) 消殺體(ti) 係。總之, 人們(men) 日常生活和工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 的需求是多元的, 在具體(ti) 選擇時, 應具體(ti) 情況具體(ti) 分析。
同時, 表麵活性劑除了在單組分情況下可以發揮重要作用, 不同表麵活性劑分子間可以產(chan) 生協同作用, 產(chan) 生1+1>2的效果。典型的如陰/陽離子表麵活性劑複配體(ti) 係[28]、碳氫/碳氟表麵活性劑複配體(ti) 係[29]、陰/非離子表麵活性劑複配體(ti) 係[30]等。此外, 表麵活性劑也可以與(yu) 生物大分子、天然產(chan) 物、人工合成聚合物、粘土等一起, 發揮更重要的作用。比如, 肺泡表麵活性物質, 就是在脂蛋白協同作用下, 降低肺泡的張力, 發揮生理功能的。
