表面活性剂的结构是怎样的？
表面活性剂不是一类单独的物质；它们可以具有完全不同的化学成分。它们的特征是由两部分组成的结构，具有亲水（亲水性）和亲油（疏水性/亲脂性）区域，即表面活性剂是两亲性的。在大多数情况下，亲水部分是小而短的链，疏水部分是长链，这就是为什么我们称之为分子的“头”和“尾”。事实上，这种尺寸比并不适用于所有表面活性剂；亲水基团也可以是长链的。
为什么表面活性剂会降低表面张力和界面张力？
表面张力是由液体分子之间的吸引力（内聚力）引起的。在表面，这种力不会在所有方向上作用，这会导致沿表面的张力。油水界面的情况类似，因为相之间的吸引力（粘附力）较弱。
表面活性剂的化学分裂结构使它们积聚在界面上，它们更喜欢留在那里。亲水性头部面向水的本体相，而疏水性尾部面向外，或者在两相系统中朝向油相。表面活性剂分子从表面置换水分子，削弱了那里的内聚力，从而削弱了表面张力。
表面张力如何取决于表面活性剂浓度？
随着表面越来越多地被表面活性剂覆盖，表面张力最初缓慢下降，然后越来越快，直到达到饱和。这是因为在开始时，吸附分子之间的距离仍然很大，因此几乎不会发生任何分子间相互作用。表面张力的最大下降发生在几乎完全饱和的区域，任何进一步的表面活性剂吸附对表面张力都有特别强的影响。在该区域，表面张力对浓度对数的依赖性是线性的，斜率最大。
在本体相中超过一定浓度时，表面活性剂分子会排列成称为胶束的团聚体。由于自由表面活性剂分子的浓度没有进一步增加，因此在表面上没有进一步的吸附，表面张力也没有进一步降低。相应的过渡范围称为临界胶束浓度（CMC），这是表面活性剂的一个重要参数。胶束负责表面活性剂的许多有用特性，例如它们的清洁效果。
▶ 另请阅读关于胶束和临界胶束浓度（CMC）的文章。
表面活性剂的用途是什么？
表面活性剂用于无数工艺，是各种工业产品的组成部分。根据其预期用途，表面活性剂有不同的名称。这些名称不是物质的分类；同一种表面活性剂可以执行不同的功能。
洗涤剂（洗涤和清洁剂）
表面活性剂的清洁效果基于两种互补效应。一方面，降低的表面张力确保水不会结块，而是更好地润湿表面，更有效地渗透纺织品。另一方面，胶束将脂肪和油结合在一起，并在水相中动员它们。
乳化剂
乳液是油和水的混合物，不会立即分离，而是在一段时间后，有时会非常缓慢地分离。当用作乳化剂时，表面活性剂会降低界面张力，从而促进一定量的液体分裂成非常细小的液滴。由于表面活性剂分子稳定了液滴的油水界面，因此保质期也得以延长。
润湿剂
表面活性剂用作润湿剂，只要水溶液需要在固体表面上很好地扩散，例如。
- 用于印刷油墨、油漆和油墨，以及各种涂料
- 电镀浴或蚀刻浴以及电解矿石加工
- 杀虫剂
- 用于机械制造的冷却剂/润滑剂
分散剂
表面活性剂也是涂料和清漆等粉末分散体中许多配方的成分。作为分散剂，它们可以改善粉末润湿性并防止结块。
发泡剂
液体泡沫的形成也是表面活性剂表面活性的影响。无论是作为浴添加剂、用于消防还是用于清洁泡沫：根据所需的产品性能，合适的表面活性剂作为发泡剂可确保快速或缓慢的泡沫形成、粗孔或细孔泡沫以及快速或缓慢衰减。
如何测量表面活性剂的效果？
用于分析表面活性剂的表面性质并研究其有效性的方法因表面活性剂使用的领域而异。
▶ 在我们的表面活性剂表征用例中阅读更多关于此主题的信息。
表面活性剂降低表面张力的效率和程度通常通过力张力计进行机械测量，通常使用Du Noüy环法或Wilhelmy板法。CMC的相关测定（见上文）也使用这些方法进行。
▶ 在我们的视频示例中，您可以看到如何通过测量Wilhelmy的表面张力来检测清洁过程中不需要的表面活性剂残留。
环板法也用于研究两相界面，以评估乳化剂的有效性。或者，可以使用旋转液滴张力计进行测量，这特别适合测量非常小的界面张力。
固体润湿
润湿剂的有效性可以通过接触角测量来确定。将一滴分配到基材上，并对其“圆度”进行量化。
分散性
Washburn吸附法反映了接触角，从而反映了粉末的润湿性，因此用于配制稳定的粉末分散体。
▶ 在我们的应用报告AR293中，了解如何使用Washburn Direct方法可靠地确定粉末润湿性。
泡沫形成
对起泡或搅拌产生的泡沫量、衰变动力学、气泡结构和液体含量的时间依赖性测量提供了发泡剂有效性和所形成泡沫性质的完整图景。
有哪些类型的表面活性剂，它们的用途是什么？
表面活性剂根据亲水基团的性质进行分类：
- 阴离子表面活性剂：具有阴离子基团的化合物（如羧酸盐或磺酸盐），通常为碱金属盐。良好的发泡剂和清洁剂，非常适合无溶剂脱脂；也经常用作润湿剂，以大大降低表面张力。
- 阳离子表面活性剂：具有阳离子基团的化合物，如季胺。良好的吸附性能，例如在头发和纺织纤维上，这就是为什么它们存在于织物柔软剂中。还有抗静电和杀菌作用。
- 非离子表面活性剂：含有非离子极性基团的化合物，如醇、醚或乙氧基化物。适用于低泡沫应用和乳液形成；与阴离子表面活性剂不同，它们对水的硬度不敏感。
- 两性表面活性剂（也称为两性离子表面活性剂）：具有阴离子和阳离子基团的化合物；通常为羧酸盐和季胺基团。特别适合皮肤，可以与其他表面活性剂很好地结合；也可用作润湿剂和乳化剂。
表面活性剂的工作速度有多快，这个问题对动态过程意味着什么？
表面活性剂分子不会突然降低表面张力。它们需要时间移动到表面（扩散）并在那里吸附；各个速度由扩散系数和吸附系数来描述。除了温度或浓度等外部条件外，这些速度还取决于表面活性剂分子的大小和空间结构。
▶ 关于科学背景，请参阅我们关于扩散系数和吸附系数的术语表文章。
表面张力的变化是随时间变化的，这一事实对不断产生新表面的动态过程有重大影响。例如，在喷涂油漆或杀虫剂时，从形成新的液滴表面到与材料接触之间只有几毫秒的时间。如果表面活性剂太慢，此时表面张力可能仍然太高，润湿性可能很差。
为了量化时间因素的影响，使用气泡压力张力计进行动态表面张力的测量。该测量记录了表面张力随表面年龄变化的过程，从而表征了表面活性剂在溶液中的动态行为。
表面活性剂的作用是否仅限于水溶液？
大多数表面活性剂应用都针对水性系统或水-油相边界。然而，作为两亲性分子，许多表面活性剂也溶解在非极性有机液体中。在这里，可以形成反胶束，其中亲水部分指向团聚体的内部，可以结合极性物质。一个例子是用于提取过程的超临界二氧化碳，它也可以在表面活性剂的帮助下溶解极性物质。
