表面活性剂的清洗作用

在表面活性剂的分子中同时存在亲水基和疏水基，使其具有在界面上的吸附作用，以及在溶液中的胶团化作用，这是表面活性剂具有清除污垢作用的根本原因。

1.表面活性剂的吸附与清洗作用

（1）表面活性剂在气一液界面的吸附

在水中表面活性剂的疏水基受到水的排挤，逐渐向气一液界面移动，亲水基朝水里。因此，在气一液界面上的表面活性剂浓度大于溶液内的。表面活性剂在界面富集的性质称为表面活性剂的吸附性。当气一液界面表面活性剂的吸附量达到最大值时，液面上覆盖一层碳氢链构成的表面层，改变了水的表面性质，表面张力降低，湿润性提高，有利于污垢清洗。

（2）表面活性剂在固体表面的吸附

表面活性剂可以在固体表面以单个离子或分子吸附。疏水基相同的非离子表面活性剂，聚氧乙烯链越短，亲水性越小，在固体表面的吸附越大。疏水基链越长的表面活性剂对固体的吸附力越大。表面活性剂以亲水基靠近固体表面，极性基朝向水侧。当表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度以后，吸附量达到最大值，固体污垢的分散性及其稳定性增大。表面活性剂的吸附，对于污垢的溶胶还具有抗阻聚的作用，既起到保护溶胶的作用，因而使污垢的胶体稳定分散，有利于清洗。

由于一般的固体表面带负电，不容易吸附阴离子表面活性剂。例如，污垢中的炭黑和石蜡，以分子间的范德华力与阴离子表面活性剂的疏水基发生吸附，使其表面的负电荷增加，污垢颗粒之间以及污垢和被清洗表面之间的排斥力增加，因而有利于清洗。非离子表面活性剂以其非极性部分和污垢的颗粒接触，亲水基伸向水中，从而在污垢颗粒的表面形成水化层，增加污垢的分散稳定性，使污垢不易再互相接近而沉积。对于油污的清洗，非离子表面活性剂的效果比阴离子表面活性剂好。

在带负电荷的固体表面，阳离子表面活性剂只能发生静电吸附，使之形成电中性的疏水层。如果有更多的阳离子表面活性剂，在疏水层的表面再形成第二吸附层，才能使固体表面变成亲水性的。但是，当进入漂洗工序时，表面的阳离子表面活性剂浓度降低，固体表面的电荷又反转过去。可见阳离子表面活性剂不宜作为清洗剂。

（3）表面活性剂在油-水界面的吸附

表面活性剂在油-水界面的吸附使界面张力降低，促进清洗剂对固体表面的润湿，从而使油污卷缩，也有利于油污的分散悬浮于溶液中，成为稳定的乳液。

2.表面活性剂的胶束化和清洗作用

当溶液中的表面活性剂达到临界胶束浓度时，表面活性剂形成胶束。胶束的一个重要作用是增溶。当表面活性剂的浓度高于临界胶束浓度以后，不溶于水的液体物质溶解于表面活性剂的胶束中，因而这些物质的表观溶解度明显高于在纯水中的溶解度。这种增溶液不是真溶液，增溶量一般不大，溶液的性质也未发生变化，不同于混合溶剂的增溶作用使溶液的性质发生的变化。增溶的方式见图3-13。增溶量的大小依次是（d）>（b）>（a）>（c）。

图3-13胶束增溶的四种方式

图P118页

（a）球状胶团；（b）层状胶团；（c）棒状胶团；（d）小型胶团

在清洗中，如果表面活性剂的浓度达不到临界胶束浓度，表面活性剂是以独立的分子或离子起作用的，随表面活性剂浓度的增加，清洗性增强；当表面活性剂达到临界胶束浓度时，清洗性最强，但是当浓度再加大，清洗性不会有大的改善。

此外，表面活性剂的清洗作用还几乎利用了表面活性剂的所有其他的主要性质。由于表面张力的降低，从而产生湿润、渗透、乳化、剥落、分散、发泡等作用，它们都有利于污垢的去除。

但是，并非清洗作用良好的表面活性剂的其他作用都是好的。清洗作用不好，而其湿润作用很强的表面活性剂也很多。因此，只能说清洗作用好的表面活性剂，是那些相关作用能良好地均衡协调的品种。

表面活性剂的各种作用是由其基本性质决定的。但是应该注意的是，尽管它对表面张力的降低作用是最基本的，也是产生其他有益作用的主要原因，但它并不是全部的作用。表面活性剂的作用还受其种类一离子类型、分子量、分子结构、表面活性剂相互搭配所产生的协同作用、助剂的种类和作用等的影响，其规律是错综复杂的。因此，单纯测定表面活性剂的表面张力，难以推断表面活性剂的某种作用的优劣。

3.表面活性剂的清洗过程

在清洗过程中，利用表面活性剂的水溶液，从固体表面清除能溶于水的、不溶于水、固体的和液体的污垢的基本步骤，都是先对被清洗固体表面的润湿，从基底上去除污垢；再利用清洗剂的分散作用，使污垢稳定地分散于溶液中。这两步的效果，均取决于被清洗材料和污垢间界面的性质。

（1）固体污垢的清除

表面活性剂从固体表面清除污垢的清洗过程，主要是以表面活性剂在各种界面上的非特异吸附为基础的，并与在某些固体污垢颗粒上多价螯合物的特性吸附有关。表面活性剂和多价金属离子借助螯合物的这种特性吸附，导致污垢和被清洗表面负电荷的增加，污垢的质点和固体表面带相同电荷，相互排斥力增强，粘附强度下降。除此以外，在污垢和被清洗表面之间的吸附层内的铺展压增大，以促进污垢和被清洗表面上二价金属离子，如钙离子的溶解，使污垢松散。表面活性剂的吸附，可使污垢产生从被清洗表面卷离，进而引起界面张力降低的作用。总之清洗剂组分的吸附，导致污垢和被清洗表面的界面性质发生改变，使污垢质点容易脱落。

阴离子表面活性剂更适合于清洗固体污垢，因为它可使被清洗表面和固体污垢表面都带负电荷，二者的界面电势明显增加，既有利于洗脱污垢，又有利于防止再沉积。

阳离子表面活性剂的存在，反而使二者间的表面电势降低，甚至消失，不利于固体污垢的清洗。

非离子表面活性剂被吸附，由于可以在被清洗表面和污垢表面之间形成一定的空间障碍，也有利于防止再沉积。

（2）液体污垢的清除

用表面活性剂水溶液清洗液体污垢的过程，首先是表面活性剂溶液润湿被清洗表面o即使被清洗表面已被液体污垢完全覆盖，一般的表面活性剂也能较好地润湿。

第二步是已润湿了被清洗表面的表面活性剂溶液，把液体污垢置换下来，因为表面活性剂的润湿，使液体污垢“卷缩”起来，油污等液体污垢由原来平铺于被清洗表面，卷缩成小球状，并逐渐被冲洗离开表面。清洗中的机械作用越强烈，清除越快。

第三步是脱离被清洗表面的液体污垢进入清洗剂溶液中，在表面活性剂和机械力的作用下，分散于溶液中，被乳化成0/W型的乳液。由于被清洗表面也吸附了表面活性剂溶液，液体污垢一般不再返回粘附于表面。液体污垢随废液的排放而清除。

4.影响表面活性剂清洗效果的主要因素

清洗效率取决于表面活性剂的化学结构、被清洗材料及表面状态、污垢的组成和性质、清洗剂的组成及各组分之间的相互作用，以及清洗工艺条件和水质状况等。

（1）表面活性剂的结构和性质

一般而言有下述规律：

①疏水基的链增长，表面活性剂的吸附性和对油污的清除效果增大。

②烷基中没有支链的表面活性剂的润湿性较差，但是清洗性能较好；多支链的表面活性剂有较好的润湿性，而清洗性欠佳。

③烷基中的碳数相同的表面活性剂，当疏水基移向碳链的中心时，其吸附性和清洗性明显降低，润湿性显著增加。

④链长对离子型表面活性剂的清洗性、吸附性和润湿性的影响，远大于对非离子型表面活性剂的影响。

⑤具有较高表面活性和较低表面张力的清洗剂溶液，对油污有较强的增溶、乳化作用，有利于油污的清除。

（2）被清洗表面及其与污垢的相互作用

被清洗表面的粗糙度越大，清洗的难度越大。与被清洗表面发生机械粘附的污垢颗粒越小，越难以清除，尤其是嵌在狭窄缝隙中且直径小于0.1µm的微小污垢更难于清洗。当污垢和被清洗表面带相反的电荷时，污垢对被清洗表面借分子间力的粘附更强烈，更难于清除。当污垢与被清洗表面形成化学键合力时，要通过化学反应才能清除。

（3）助剂的组成和性质

中性电解质的加入可以减小清洗体系的表面张力，提高表面活性，增加吸附量，降低cmc，从而改善清洗性能，尤其对离子型表面活性剂的影响更大；能形成配合物的电解质，有利于通过界面，穿透脂肪酸，使液-液界面张力降低，激活表面活性剂。硫酸钠自身对油污就有25%的清除率，它的加入显然有助于清洗率的提高。

另外，二价金属离子的螯合剂的存在，可减小硬水对表面活性剂作用的影响。酶制剂的加入则可起到表面活性剂所起不到的清洗效果。

（4）清洗技术和工艺条件

清洗过程的强化措施，例如机械力、加热、超声波等的应用都有利于改善表面活性剂的清洗效果。

水质状况等都是影响表面活性剂清洗效果的因素。