表面活性劑
表面活性劑又稱界面活性劑，是能使目標溶液表面張力顯著下降的物質，可降低兩種液體或液體-固體間的表面張力。種類繁多[1]。最典型的例子是肥皂，具分解、滲入的效果，應用廣泛。
| 上級分類 | 化學物質  |
|---|---|
| 所屬實體 | 清潔劑、fire extinguishing agent、化妝品、洗衣劑、塗料 |
| 用途 | reduction |
表面活性劑一般為具有親水與疏水基團的有機兩性分子，通常是兩親的有機化合物，含有疏水基團（「尾」）和親水基團（「頭」）。因此，它們在有機溶劑和水中均可溶。
歷史
表面活性劑在自然界中天然存在，例如細胞膜中的磷脂、肺泡表面活性物質、脂肪代謝中的膽汁酸等[1]。表面活性劑在生命起源中也扮演着重要角色[1]。磷脂為原始生命提供了脫離岩石孔隙的基本條件[2]；表面活性蛋白、膽酸鹽等為生命活動調節路徑[1]。
人類最早使用的表面活性劑是來自於生物的肥皂和洗滌劑。約5000年前古埃及人就用羊油碳灰作為洗滌劑使用。[1]
「表面活性劑」一詞的英文surfactant/surfactants由surface active agents（表面+活性+劑）組成的合成詞[3]，於1950年由安德拉的產品首先使用。
分類
表面活性劑按親水基團可以分為[1]：
- 陽離子表面活性劑：在水中解離後，頭基帶正電荷, 以季銨鹽最為常見。因其水溶液有很強的殺菌能力，故常用於消毒殺菌。具有兩條尾鏈的陽離子表面活性劑能夠使織物柔順和抗靜電。
- 陰離子表面活性劑：在水中解離後，頭基帶負電。包括含有羧酸根的膽汁酸、皂基表面活性劑, 部分含有磷酸根的磷脂，以及硫酸根和磺酸根。
- 兩性離子表面活性劑：兩個帶相反電荷的頭基共價連接到一起。如蛋黃卵磷脂、甜菜鹼、氧化胺表面活性劑。
- 非離子表面活性劑：頭基在水中幾乎不解離, 水溶性依靠頭基與水分子間的氫鍵產生。如寡聚氧乙烯、寡糖。
按疏水尾鏈，表面活性劑可以分為[1]：
- 直鏈烷基表面活性劑：具有直線狀的疏水尾鏈，如各類烷基酸鹽、烷基硫酸鹽等。
- 支鏈烷基表面活性劑：疏水尾鏈上存在支鏈結構，如雙(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸鈉。
- 不飽和烷基表面活性劑：疏水尾鏈中存在碳碳雙鍵，如油酸鈉。
- 環狀疏水尾鍊表面活性劑：疏水尾鏈形成環狀結構，如膽甾骨架。
- 碳氟表面活性劑：碳氫鏈上的氫原子被氟原子取代形成的疏水尾鏈，具有高表面活性、高耐熱穩定性及高化學穩定性，既憎水又憎油。被廣泛用於製備疏水材料。
- 有機硅表面活性劑：碳氟表面活性劑和碳氫表面活性劑水溶液的混合物，以交替的硅-氧鍵及連接於硅原子的甲基為疏水鏈[4]。
- 聚合物型表面活性劑：由環氧丙烷開環聚合得到的聚氧丙烯鏈作為疏水鏈。
按照分子構型，表面活性劑可以分為[1]：
- Bola型表面活性劑：兩個頭基處於疏水尾鏈兩端[5]。
- Gemini表面活性劑：兩個單體共價相連，雙頭雙尾。
此外，有些表面活性劑以來源命名, 如生物表面活性劑是指從生物中直接獲得的表面活性劑；也有以親水基團的化合物種類來劃分，例如氨基酸表面活性劑等；還有按分子量將表面活性劑分為小分子表面活性劑和高分子表面活性劑等[1]。
性質
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表面活性劑溶於水時能夠在空氣/水表面吸附形成排列整齊的單層膜，還能夠在油/水界面富集並降低界面張力，改變油/水界面膜的結構和性質。此外，它們也能夠吸附於固體表面，提高固體基底的潤濕性。[1]
許多表面活性劑也能在本體溶液中，達到飽和吸附時聚集成為聚集體。囊泡和膠束都是此類聚集體。表面活性劑開始形成膠束的濃度叫做臨界膠束濃度或CMC。當膠束在水中形成，膠束的尾形成能夠包裹油滴的核，而它們的（離子／極性）頭能夠形成一個外殼，保持與水接觸。表面活性劑在油中聚集，聚集體指的是反膠束。在反膠束中，頭在核，尾保持與油的充分接觸。表面活性劑通常分為四大類：陰離子，陽離子，非離子和兩性離子（雙電子）。這種自發的聚集過程被稱為自組裝。
表面活性劑系統的熱動力學很重要，不論是理論上還是實踐上。因為表面活性劑系統代表的是介於有序和無序物質狀態之間的系統。表面活性劑溶液可能含有有序相（膠束）和無序相（自由表面活性劑分子和／或離子）。
如常用的洗滌劑能夠提高水在土壤中的滲透能力，但是效果僅僅持續數日（許多標準洗衣粉含有一定量的化學品，比如鈉和溴，由於它們會破壞植物，不適於土壤）。商業土壤潤濕劑會持續起效果一段時間，最終還是會被微生物降解。然而，有一些會對水生物的生物循環產生影響，因此必須小心防止這些產品流入地表徑流，過量產品不應該洗消。
應用
表面活性劑可以降低水表面張力，使水能夠更容易滲透和濕潤其他材料[1]。
表面活性劑在洗滌劑中廣泛應用，具有去污的能力，能夠將油污溶解於水中，並形成膠束或乳液，從而實現清潔的效果[1]。
表面活性劑能夠包覆大尺寸的難溶物，分散在水中，從而增加其穩定性[1]。例如，對於不溶於水的碳納米管等材料，表面活性劑可以包裹在其表面，起到分散、穩定的作用[6]。
由於表面活性劑的兩親性，它可以在液體-液體界面上吸附，從而形成乳化體系，使原本不相溶的液體相互混合。乳化在食品工業和藥物製劑中具有重要的應用。而當不溶性氣體被液體分散(包裹)時, 可以形成穩定的泡沫體系。[1]
某些表面活性劑在生物體系中應用廣泛。例如，陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）被用作分離蛋白質的凝膠劑輔助成分。此外，表面活性劑還可以作為藥物載體、生物黏合劑、智能軟材料的製備等方面發揮作用。[1]
參見
參考文獻
- ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 Feng, Ning; Xu, Aoxue; Fu, Wenwen; Li, Jinrui; Li, Hongguang; Hao, Jingcheng. Surfactant: An ancient but young member in chemical world. Chinese Science Bulletin. 2023-04-01, 68 (10): 1147–1155. doi:10.1360/TB-2022-0997.
- ^ 萊恩. 生命的跃升: 40亿年演化史上的十大发明. 科學出版社. 2018 [2024-01-02]. ISBN 978-7-03-057046-8. （原始內容存檔於2024-01-02） （中文）.
- ^ Rosen, Milton J. Surfactants and Interfacial Phenomena 3. John Wiley & Sons. 2004 [2024-01-02]. ISBN 978-0-471-67055-1. （原始內容存檔於2024-01-02） （英語）.
- ^ Huang, Yue; Guo, Mengdong; Feng, Shengyu. Synthesis and Solution Behavior of Sulfonate-Based Silicone Surfactants with Specific, Atomically Defined Hydrophobic Tails. Langmuir. 2019-07-30, 35 (30): 9785–9793. doi:10.1021/acs.langmuir.9b00875.
- ^ Ghosh, Sampad; Ray, Anirban; Pramanik, Nabakumar. Self-assembly of surfactants: An overview on general aspects of amphiphiles. Biophysical Chemistry. 2020-10, 265: 106429. doi:10.1016/j.bpc.2020.106429.
- ^ O'Connell, Michael J.; Bachilo, Sergei M.; Huffman, Chad B.; Moore, Valerie C.; Strano, Michael S.; Haroz, Erik H.; Rialon, Kristy L.; Boul, Peter J.; Noon, William H.; Kittrell, Carter; Ma, Jianpeng; Hauge, Robert H.; Weisman, R. Bruce; Smalley, Richard E. Band Gap Fluorescence from Individual Single-Walled Carbon Nanotubes. Science. 2002-07-26, 297 (5581): 593–596. doi:10.1126/science.1072631.