表面活性劑的典型功能

表面活性劑易于吸附和自聚集的基本性質(zhì)衍生出多種多樣的功能。表面活性劑的疏水尾鏈能夠插入油污以降低油/水界面張力, 在機(jī)械攪動等輔助下, 進(jìn)一步將其增溶, 形成溶脹的膠束或乳液。這正是其去污的機(jī)理。洗滌, 在表面活性劑許多應(yīng)用場景中扮演著重要角色。日常生活中, 表面活性劑廣泛存在于各類洗滌用品如洗衣粉、洗潔精、洗發(fā)膏中, 是這類產(chǎn)品的核心成分。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 從車輛清洗到三次采油助劑, 無不利用了表面活性劑的這一特性。在前沿基礎(chǔ)研究中, 用相同的原理, 可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難溶物溶解于水中, 形成均一、穩(wěn)定的溶液。典型的如稀土配合物、富勒烯等。當(dāng)不溶于水的客體尺寸較大時, 表面活性劑不能輔助其徹底溶解, 而只能包覆在其表面, 起到分散、穩(wěn)定的作用, 典型的如一維的、表面疏水的碳納米管(圖當(dāng)我們從能量的角度來審視上述的過程, 可以發(fā)現(xiàn), 這實際上是表面活性劑降低固/液界面界面能的過程。同樣地, 表面活性劑的兩親性保證了其在液液界面上的吸附, 產(chǎn)生降低液/液界面能的效果, 典型的應(yīng)用就是乳化。水(綠色)和甲苯(紅色)互不相溶, 當(dāng)向混合液中加入表面活性劑烷基糖苷時, 甲苯與水的界面能降低, 這意味著即使水和甲苯的液/液界面的面積增大體系也可以穩(wěn)定存在, 因此, 甲苯可以以小尺寸液滴的形式存在水相之內(nèi), 形成穩(wěn)定的乳狀液。同理, 當(dāng)不溶性氣體被液體分散(包裹)時, 可以形成泡沫體系, 表面活性劑對氣/液界面界面能(表面張力)的降低對于增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性具有積極作用。得益于表面活性劑科學(xué)的發(fā)展, 目前發(fā)泡領(lǐng)域已經(jīng)由水相擴(kuò)展到油相, 發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性也達(dá)到了較高的水平。一項近期的工作展示了十八烷基蔗糖酯在特級初榨橄欖油發(fā)泡體系中的良好發(fā)泡性和高溫穩(wěn)定性, 相關(guān)工作在食品科學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

在表面活性劑溶液內(nèi)部, 表面活性劑形成膠束后可以作為一類優(yōu)良的軟模板, 不僅形成的結(jié)構(gòu)均一穩(wěn)定, 而且容易脫除, 在無機(jī)半導(dǎo)體量子點、硅納米顆粒、分子篩等材料的合成中扮演著重要角色。有趣的是, 表面活性劑軟模板還可以與硅納米顆粒等硬模板協(xié)同使用, 例如, 在制備中空、介孔貴金屬材料時, 表面活性劑可與貴金屬鹽共同負(fù)載在硬模板表面, 為后續(xù)形成的貴金屬顆粒提供介孔模板這種方法形成的介孔金屬納米顆粒具有高的比表面積, 是一種優(yōu)良的電催化劑。表面活性劑形成的膠束內(nèi)部往往呈非(微)極性狀態(tài), 當(dāng)少量非極性組分加入表面活性劑溶液時, 其可以被膠束包裹, 形成熱力學(xué)穩(wěn)定的微乳液體系。除了極高的穩(wěn)定性, 微乳液還具有光學(xué)透明的特性, 因此,微乳液在負(fù)載油溶性藥物、開發(fā)膠體光學(xué)等領(lǐng)域具有不可替代的作用。在表面活性劑濃度較高時, 還可形成不同類型的液晶, 稱之為溶致液晶。作為具有長程有序結(jié)構(gòu)的軟材料, 液晶兼具液體的流動性和晶體的有序性, 以液晶為模板合成的材料往往在結(jié)構(gòu)上具有良好的可控性和可塑性, 因而在光學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)和化妝品科學(xué)等領(lǐng)域均獲得了廣泛關(guān)注

表面活性劑在生命體系中的應(yīng)用也正在被廣泛發(fā)掘。陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)是分離蛋白用凝膠劑的輔助成分；使用表面活性劑作為藥物載體、高聚的酚類表面活性劑作為生物粘合劑、環(huán)境響應(yīng)型表面活性劑制備智能軟材料、表面活性蛋白輔助基因工程等研究正在將古老的表面活性劑與“生物的世紀(jì)”完美融合。近年來, 表面活性劑在柔性電子器件、燃料電池、高效質(zhì)子交換膜、節(jié)能降污等領(lǐng)域亦大放異彩[27]。此外, 有些表面活性劑還具有殺菌、抗靜電等多種功能。表面活性劑性能的多樣化, 使其應(yīng)用十分廣泛。除日化、洗滌、化妝品、石油助劑等領(lǐng)域, 表面活性劑在農(nóng)藥乳劑、礦物浮選、紡織等行業(yè)的使用也十分普遍, 因而有“工業(yè)味精”的美譽(yù)。

需要指出的是, 有時人們對于表面活性劑性能的需求是截然相反的。就乳液而言, 有的體系需要添加表面活性劑增強(qiáng)其穩(wěn)定性, 此時, 表面活性劑被稱為乳化劑；有的體系又依賴表面活性劑進(jìn)行破乳, 此時, 表面活性劑又被稱為破乳劑；在泡沫體系中, 表面活性劑既可以被用于增強(qiáng)發(fā)泡性能 (發(fā)泡劑)又可以被應(yīng)用于消泡過程(消泡劑)；有的表面活性劑具有良好的生物相容性, 被應(yīng)用于食品、化妝品等領(lǐng)域, 有的表面活性劑則具有強(qiáng)烈的殺菌效果, 可以實現(xiàn)應(yīng)用于消殺體系。總之, 人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求是多元的, 在具體選擇時, 應(yīng)具體情況具體分析。

同時, 表面活性劑除了在單組分情況下可以發(fā)揮重要作用, 不同表面活性劑分子間可以產(chǎn)生協(xié)同作用, 產(chǎn)生1+1>2的效果。典型的如陰/陽離子表面活性劑復(fù)配體系[28]、碳?xì)?碳氟表面活性劑復(fù)配體系、陰/非離子表面活性劑復(fù)配體系[30]等。此外, 表面活性劑也可以與生物大分子、天然產(chǎn)物、人工合成聚合物、粘土等一起, 發(fā)揮更重要的作用。比如, 肺泡表面活性物質(zhì), 就是在脂蛋白協(xié)同作用下, 降低肺泡的張力, 發(fā)揮生理功能的。