[科普中国]-工业味精

工业味精也就是表面活性剂，表面活性剂是这样一类物质,当它的加入量很少时,就能使溶剂(一般为水)的表面张力大大降低,改变体系的界面状态;当它达到一定的浓度时,在溶液中缔合成胶团。因而产生润湿或反润湿、乳化和破乳、起泡或消泡、加溶、洗涤等作用,以达到实际应用的要求。1

简介味精作为一种鲜味物质在我们的饮食生活中可谓是无所不及。其实在工业生产中也有一种和味精很类似的物质,用量不需太多,可作用十分神奇,这类物质就是通常所说的表面活性剂。

表面活性剂又称界面活性剂,它能显著改变液体表面张力和二相间界面张力,从而具有许多奇特的作用,知润湿、乳化、分散、起泡和消泡、防静电、防摩擦等。按照共用途可分为洗涤剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂等;按照其在水中的电离情况又可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型四大类。它们在结构上的共同特征是,分子中同时含有亲水基团和亲油基团。这种特殊的分子结构使其通过改变液体的表面性质而达到特定的目的。

我们普遍使用的合成洗涤剂的主要成分为十二烷基苯磺酸钠,它是一种典型的阴离子表面活性剂,具有很强的去污能力,并且直链的烷基可被某些微生物所降解,不致污染自然水源。而合成洗涤剂中所含的硫酸钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、欺甲基纤维素等成分只起辅助作用。

牙膏、香波等日用品之所以能够产生泡沫,是因为其配方中添加了发泡剂的缘故。像海绵橡胶、泡沫塑料等产品在生产过程中通常需使用发泡剂H。然而在某些场合又要求无泡或低泡,如发酵、造纸、制胶、印花、污水处理等。那怎么办呢?通常采用添加消泡剂的办法来解决。发泡剂和消泡剂都属于表面活性剂的“家庭成员”。

化妆品、农药、医药大多呈稳定的乳状液,原来也是表面活性剂在起作用,这类表面活性剂叫乳化剂。存在于大豆中的一种天然物质大豆磷脂就是一种乳化剂,在生产巧克力时通常用其降低巧克力浆的稠度,以便于注模;在制造奶油味硬糖时一般添加0.2%左右的磷脂就可达到乳化的目的。可是在有些场合又需要将油水分离,如开采的原油中含有一定的水份,要除去其中的水份当然首先要“破乳”了,破乳也得靠表面活性剂来完成。2

发展历史肥皂是使用最早的表面活性剂之一，公元前7～前6世纪已经开始使用。肥皂遇到硬水会产生沉淀，且在酸性溶液中不稳定。红油（又名土耳其红油），是蓖麻油硫酸化产物（阴离子表面活性剂），1875年首次由德国巴登苯胺纯碱公司合成,是第一个合成的表面活性剂,用于纺织和皮革工业。第一次世界大战时，德国研究成功从萘、丙醇或丁醇用发烟硫酸生产烷基萘磺酸盐，可以用来代替肥皂，因而节省了制皂用的动植物油脂。烷基萘磺酸盐的冼净能力虽然较差，但具有良好的润湿和渗透能力，且不受硬水或酸性溶液的影响，所以仍被广泛采用。1936年随着石油化工的发展，美国首先研究成功由苯和煤油制成烷基苯磺酸盐。后来，由于添加各种助剂和改进生产技术，以烷基苯磺酸盐为主要组分的合成洗涤剂，在应用性能和成本方面都比肥皂优越，开始大量在生产和生活中应用。此后，合成洗涤剂在洗涤用品总量中所占的比重逐年上升，1982年世界合成洗涤剂的产量已达28Mt，已经超过肥皂并继续增长。以合成洗涤剂为代表的表面活性剂的研究和生产发展迅速，现已成为重要的化工生产部门，表面活性剂的品种已有几千种。

主要作用乳化作用由于油脂在水中表面张力大，当水中滴入油脂后，用力搅拌，油脂被粉碎成细珠状，互相混合成乳浊液，但搅拌停止又重新分层。如果加入表面活性剂，用力搅拌，停止后很长时间内却不易分层，这就是乳化作用。其原因是油脂的疏水性被活性剂的亲水基团所包围，形成定向的吸引力，降低了油在水中分散所需要的功，使油脂得到很好的乳化。

润湿作用零件表面上往往粘附有一层蜡、油脂或鳞片状的物质，这些物质是疏水性的。由于这些物质的污染，零件表面不易被水润湿，当水溶液中加入表面活性剂时，零件上的水珠就很容易分散开来，使零件的表面张力大大降低，达到润湿目的

增溶作用油类物质中加入表面活性剂后，才能“溶解”，但是这种溶解只有在表面活性剂的浓度达到胶体的临界浓度时才能发生，溶解度的大小根据增溶对象和性质来决定。就增溶作用而言，长的疏水基因烃链要比短烃链强，饱和烃链比不饱和烃链强，非离子表面活性剂增溶作用一般比较显著。

分散作用灰尘和污粒等固体粒子比较容易聚集在一起，在水中容易发生沉降，表面活性剂的分子能使固体粒子聚集体分割成细小的微粒，使其分散悬浮在溶液中，起到促使固体粒子均匀分散的作用。

泡沫作用泡沫的形成主要是活性剂的定向吸附作用，是气液两相间的表面张力降低所致。一般低分子活性剂容易发泡，高分子活性剂泡沫少，豆蔻酸黄发泡性较高，硬脂酸钠发泡性最差，阴离子活性剂发泡性和泡沫稳定性比非离子型好，如烷基苯磺酸钠发泡性很强。通常使用的泡沫稳定剂有脂肪醇酰胺、羧基甲基纤维素等，泡沫抑制剂有脂肪酸、脂肪酸酯、聚醚等及其它非离子表面活性剂。3

分类表面活性剂按分子结构特性可分为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性离子表面活性剂、阳离子表面活性剂。

阴离子表面活性剂磺酸盐

此类活性剂常见的有直链烷基苯磺酸钠和 α-烯基磺酸钠。

直链烷基苯磺酸钠别名 LAS 或 ABS，为白色或淡黄色粉状或片状固体，在复配表面活性剂体系中溶解性很好，对碱、稀酸和硬水都比较稳定。常用于洗洁精(餐具液洗剂) 和衣用液体洗涤剂，一般不用于洗发香波，很少用于淋浴液。在洗洁精中其用量可占表面活性剂总量的一半左右，在衣用液体洗涤剂中所占比例实际调节范围较宽。应用于洗洁精比较典型的复配体系是三元体系“LAS（直链烷基苯磺酸钠）-AES（醇醚硫酸钠）-FFA（烷基醇酰胺）”。直链烷基苯磺酸钠突出的优点是稳定性好、去污力强、环境危害极小，能很好地被生物降解为无害物、价格低廉。突出的缺点是刺激性大。

α- 烯基磺酸钠别名 AOS，极易溶于水，它在广泛的 p H 值范围内都有较好的稳定性。在磺酸盐品种中，性能较好。突出的优点是稳定性好，水溶性好，配伍性好，刺激性小，微生物降解也非常理想，是洗发香波和淋浴液中常使用的主表面活性剂之一。其缺点是价格较贵。

硫酸盐

此类活性剂常见的有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠。

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠别名 AES、醇醚硫酸钠。易溶于水，在洗发香波、淋浴液、餐具液体洗涤剂(洗洁精)、衣用液体洗涤剂中都可应用。水溶性比十二烷基硫酸钠更好，在常温下本身就可配成任何比例的透明水溶液。在液体洗涤剂中的应用比直链烷基苯磺酸钠更广泛，配伍性更好；能够与许多表面活性剂二元复配或多元复配成透明水溶液。突出的优点是刺激性小、水溶性好、配伍性好、在防皮肤干裂粗糙方面表现好。缺点是在酸性介质中的稳定性稍差，去污力次于直链烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠。

十二烷基硫酸钠别名 AS、K 12、椰油醇硫酸钠、月桂醇硫酸钠发泡剂，对碱和硬水不敏感，在酸性条件下稳定性次于一般磺酸盐，接近于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，易降解，对环境危害极小。在液体洗涤剂中应用，酸度不能太高；在洗发香波和沐浴液中使用其乙醇胺盐或铵盐,不仅可增加耐酸稳定性，还有益于降低刺激性。除发泡性好和去污力强外，其他方面的使用性能都不如醇醚硫酸钠。在常见阴离子表面活性剂中价格一般比较高。

阳离子表面活性剂与各种类型表面活性剂相比，阳离子表面活性剂的调整作用最突出，杀菌作用最强，尽管有去污力差，起泡性差，配伍性差、刺激性大，价格昂贵等缺点。阳离子表面活性剂不直接与阴离子表面活性剂配伍，只能作为调理剂组分或杀菌剂来使用。阳离子表面活性剂在液体洗涤剂中作为辅助表面活性剂（配方用量很少的调理剂组分）一般用于较高档次产品，主要用于洗发香波。作为调整剂组分在高档次液体洗涤剂洗发香波中不是其他类型表面活性剂所能替代的。

常见阳离子表面活性剂品种有十六烷基二甲基氯化铵(1631)、十八烷基三甲基氯化铵(1831)、阳离子瓜尔胶(C-14 S)、阳离子泛醇、阳离子硅油、十二烷基二甲基氧化胺(OB-2)等。

两性离子表面活性剂两性表面活性剂指兼有阴离子和阳离子性亲水基的表面活性剂，因此这种表面活性剂在酸性溶液中呈阳离子性，在碱性溶液中呈阴离子性，而在中性溶液中有类似非离子的性质。两性表面活性剂易溶于水，溶于较浓的酸、碱溶液，甚至在无机盐的浓溶液中也能溶解，耐硬水性好，对皮肤刺激性小，织物柔软性好，抗静电性好，有良好的杀菌作用，与各种表面活性剂的相容性好。重要的两性表面活性剂品种有十二烷基二甲基甜菜碱、羧酸盐型咪唑啉等。

非离子表面活性剂非离子表面活性剂具有良好的增溶、洗涤、抗静电、刺激性小、钙皂分散等性能；可应用 p H 范围比一般离子型表面活性剂更宽广；除去污力和起泡性外，其他性能往往优于一般阴离子表面活性剂。在离子型表面活性剂中添加少量非离子表面活性剂，可使该体系的表面活性提高（相同活性物含量之间比较）。主要品种有烷基醇酰胺（FFA）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AE）、烷基酚聚氧乙烯醚（APE 或 OP）。

烷基醇酰胺（FFA）是一类性能优越和用途广泛及使用频率很高的非离子表面活性剂，在各种液体洗涤剂中常用。在液体洗涤剂中使用常与酰胺配伍，配比一般为“2∶1”和“1.5∶1”（烷基醇酰胺∶酰胺）。烷基醇酰胺可以在一般稍偏酸性和碱性洗涤剂中应用，是非离子表面活性剂中价格最便宜的一个品种。4

应用随着科学技术的发展,尤其是化学工业的进步’及相关学科的渗透.促使表面活性剂的作用和应用越趋广泛而深入,大到矿物的开采和能源的开发,小至细胞的作用和酶的效应,均能找到表面活性剂的踪影。而今表面活性剂的应用早不限于洗涤剂的去污活性物、牙膏的去垢剂、化妆品乳化剂等日化工业方面,而已遍及石油化工、能源开发、医药工业等其他生产领域。

石油开采石油开采中,使用表面活性剂的加水稀溶液,或表面活性剂与油和水的混合浓溶液进行油田的采油,可提高原油开采率15%一20%。由于表面活性剂具有降低溶液粘度的性能,钻井时使用,使原油粘度下降,减少或防止卡钻事故的发生。亦能使不再喷油的老井重新复喷。

能源开发表面活性剂还能在能源开发方面作出贡献。如今在世界石油价格上涨,油源紧张的形势下,发展油--一煤混合燃料意义深远。即在工艺中加入表面活性剂可制成流动性能很高的新型燃料,这种燃料可代替汽油,作为动力能源。之外在汽油、柴油和重油中加入起乳化作用的表面活性剂,不但节省油源,而且可提高热效应,还可减轻对环境的污染。因此表面活性剂对能源开发有着深远意义。

纺织工业表面活性剂在纺织工业上的应用已有长久历史。合成纤维较天然纤维有着粗糙、不够蓬松,易产生静电吸附尘埃的弊端及吸湿性和手感差等缺点,若以专用表面活性剂处理之后,上述合成纤维的缺陷可大大改善。之外表面活性剂也是纺织印染业的柔软剂、抗静电剂、润湿渗透剂、乳化剂。可见表面活性剂在纺织印染业中的应用是十分广泛的。

金属清洗在金属清洗方面,传统的溶剂是汽油、煤油、四氯化碳等有机溶剂。据有关资料统计,全国每年用于清洗金属件的汽油竟高达50万吨。而以表面活性剂配制成的水基金属清洗剂,可节约能源。据测算:一吨金属清洗剂可代替20吨汽油,而1吨石油原料可制成4吨金属清洗剂,可见表面活性剂对于节约能源有着深远意义。之外表面活性剂金属清洗剂还具有无毒、不致燃爆、不污染环境以及保障工人安全的特点。这类金属倩洗剂现已推广应用于航天发动机、飞机、轴承等不同种类的金属零部件的清洗方面。

食品工业食品工业中,表面活性剂是制作食品的多功能助剂。食品用表面活性剂有着优良的乳化、润湿、防粘、保鲜及絮凝作用。由于这类特殊的添加剂作用,可使糕点起酥,发泡性食品起泡,面包松软,人造奶油、蛋黄酱、冰淇淋等产品原料均匀地分散乳化开来,对提高制品的制作工艺和产品的内在质量均有着奇特的功效。

农业农药是一种乳状液体,由于液体表面张力的原因,喷洒在植物叶面上有不易铺展开来的缺憾。若在农药的配液中加入表面活性剂,借助于表面活性剂能够降低液体表面张力的作用,即乳液失去表面活性,农药乳液将容易地展敷在叶面上,这样其杀虫效果会更好。5

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学