表面活性劑是兩親分子， 使它在水溶液中具有兩種界面(表面)吸附功能。

 

其一， 通過“正吸附”可迅速降低水的表面張力， 體現(xiàn)了表面活性劑的潤濕、滲透作用;

 

其二， 通過“膠束化”可在水中形成大量膠束并有效降低兩相間的界面張力， 使液體、固體、氣體能在水中穩(wěn)定存在， 體現(xiàn)了表面活性劑的乳化、分散、發(fā)泡、增溶等作用。而洗滌作用則是表面活性劑發(fā)揮潤濕、乳化、分散、發(fā)泡、增溶等各種功能的綜合過程。下面， 就表面活性劑的潤濕、乳化、分散、發(fā)泡、增溶、洗滌等作用原理以及它們的反作用原理做簡(jiǎn)要論述。

 

(一) 潤濕和滲透作用

 

剪一塊坯布輕放于水面， 這塊坯布會(huì)在水面上停留一段時(shí)間再慢慢沉入水底。若在水中加入少許表面活性劑JFC， 我們發(fā)現(xiàn)放于水面的坯布會(huì)馬上沉入水底， 這是測(cè)試表面活性劑潤濕能力的一個(gè)常見方法。

 

一般來講， 潤濕是固體表面上一種流體被另一種流體所取代的過程。因此， 潤濕作用至少涉及三相， 其中兩相是流體， 一相是固體。染整加工中， 多為纖維(固體) 表面上的氣體( 一種流體) 被水(另一種流體)所取代的過程。

 

坯布在純水中潤濕速度較慢， 是因?yàn)樗谋砻鎻埩^大， 不能在纖維表面迅速鋪展， 不能將坯布內(nèi)的空氣快速取代出去; 水中加入表面活性劑之后， 水的表面張力明顯下降， 使水能在纖維表面迅速鋪展并將空氣迅速取代出去， 從而加快了潤濕過程。因此，能使?jié)櫇襁^程迅速發(fā)生的表面活性劑被叫做潤濕劑或滲透劑， 表面活性劑在這個(gè)過程所起的作用叫做潤濕作用或滲透作用。

 

潤濕作用與滲透作用并無本質(zhì)上的區(qū)別， 前者作用在固體表面，后者作用在固體內(nèi)部， 兩者可使用相同的表面活性劑， 因而潤濕劑也可稱為滲透劑。

 

表面活性劑之所以具有潤濕和滲透作用， 是由于它能顯著地降低水的表面張力。如圖1所示， 以液滴在固體平面上達(dá)到平衡時(shí)的情況， 來分析表面活性劑的潤濕滲透作用。

 

織物與一般固體平面不同， 它是一個(gè)多孔體系， 在紗線之間、纖維之間以及纖維內(nèi)部的微細(xì)結(jié)構(gòu)之間， 均分布著無數(shù)相互貫通、大小不同的毛細(xì)管， 因此在染整加工過程中， 織物的潤濕能力常用毛細(xì)管效應(yīng)來衡量。

 

染整工作液中加入少量潤濕、滲透劑之后， 織物的毛細(xì)管效應(yīng)就能明顯提高， 保證染整加工順利進(jìn)行。

 

作為潤濕、滲透劑使用的表面活性劑， 其分子鏈長度宜適中， HLB值宜適當(dāng)， 疏水基中含有支鏈的會(huì)明顯提高其潤濕能力， 離子型表面活性劑其親水基位于分子鏈中央者潤濕性最好， 表面活性劑分子引入第二個(gè)親水基后潤濕性會(huì)下降。聚氧乙烯型非離子表面活性劑在高溫下用做滲透劑時(shí)， 宜與陰離子型表面活性劑共用， 以提高其熱穩(wěn)定性， 在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下使用的潤濕、滲透劑， 要充分考慮其化學(xué)穩(wěn)定性， 以免分解失效。

 

在染整加工中經(jīng)常作為潤濕、滲透劑使用的產(chǎn)品， 有滲透劑JFC、滲透劑T、拉開粉BX、滲透劑5881、絲光滲透劑MP 等品牌。

 

(二) 乳化作用

 

兩種互不相溶的液體，其中一相以微滴狀分散于另一相中，這種作用稱為乳化作用。

 

乳化作用往往不會(huì)自動(dòng)發(fā)生或長久存在。例如，將油和水放在一起進(jìn)行劇烈攪拌，雖然也能形成暫時(shí)乳化狀態(tài)，但攪拌一旦停止，油與水又馬上分為上下兩層，這是由于油—水間存在著較大的界面張力，油在攪拌作用下變成微滴之后，油—水間的接觸面積會(huì)大大增加，表面能迅速增大，成為一種不穩(wěn)定體系，以致一旦停止攪拌，便會(huì)分為兩層，恢復(fù)成為兩相接觸面積最小的穩(wěn)定狀態(tài)。如果在油和水中加入一定量適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣俳o以攪拌，由于表面活性劑在油—水界面上有定向吸附的能力，親水基伸向水，疏水基伸向油，從而降低了油—水間的界面張力，使體系的界面能下降。

 

在降低界面張力的同時(shí)，表面活性劑分子緊密地吸附在油滴周圍，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的吸附膜，當(dāng)油滴相互接觸、碰撞時(shí)，吸附膜能阻止油滴的聚集，從而使乳液穩(wěn)定存在。這種能使乳化作用順利發(fā)生的表面活性劑叫做乳化劑。

 

如果選擇離子型表面活性劑作為乳化劑，還會(huì)在油—水界面上形成雙電層和水化層，都有進(jìn)一步防止油滴聚集的作用。若使用非離子型表面活性劑作為乳化劑，則會(huì)在油滴周圍形成比較牢固的水化層，起防凝聚作用。肥皂作為乳化劑使用時(shí)的乳液狀態(tài)如圖2所示。

 

經(jīng)乳化作用形成的油—水分散體系叫做乳狀液，乳狀液有兩種類型。

 

一種是水包油型(油/水型)，以O(shè)/W表示，水包油型是油類液體以微粒狀分散在水中，其中油是內(nèi)相(不連續(xù)相)、水是外相(連續(xù)相);

 

另一種是油包水型(水/油型)，以W/O表示，油包水型是水呈微粒狀分散在油中，其中水是內(nèi)相(不連續(xù)相)、油是外相(連續(xù)相)。

 

一般來講，親水性強(qiáng)的乳化劑易形成油/水型乳狀液，而疏水性強(qiáng)的乳化劑易形成水/油型乳狀液。圖3表示了親水能力不同的乳化劑對(duì)乳液類型的影響。

 

乳化劑都是表面活性劑，但不是所有的表面活性劑都能成為良好的乳化劑，只有在水中能形成穩(wěn)定膠束的表面活性劑才具有良好的乳化分散能力。乳化劑應(yīng)有適當(dāng)?shù)腍LB值，例如非離子表面活性劑，其HLB值在8～18之間可形成油/水型乳液，在3～6之間則可形成水/油型乳液;乳化劑與被乳化物應(yīng)有相似的分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)能顯著地降低被乳化物與水之間的界面張力;乳化劑應(yīng)具有強(qiáng)烈的水化作用在乳化粒子周圍形成水化層或使乳化粒子帶有較高電荷，以阻止乳化粒子的聚集。

 

染整加工過程中要經(jīng)常使用一些乳化工作液，以油/水型乳狀液居多。經(jīng)常使用的乳化劑如平平加O系列、Span—Tween系列、EL等。

 

(三)分散作用

 

將不溶性固體物質(zhì)以微小的顆粒均勻地分散在液體中所形成的體系稱為分散體或懸浮體，這種作用稱為分散作用，能使分散作用順利發(fā)生的表面活性劑稱為分散劑。被分散的固體顆粒稱分散相(內(nèi)相)，分散的液體稱分散介質(zhì)(外相)。乳化與分散這兩種作用十分相似，其主要區(qū)別是乳狀液的內(nèi)相是液體，而分散液的內(nèi)相是固體。

 

表面活性劑必須具有三種作用才能成為良好的分散劑。首先，它必須具有良好的潤濕性能，使液體充分潤濕每一個(gè)固體顆粒、取代顆粒中的空氣，進(jìn)一步使固體顆粒碎裂成更小的晶體。其次，它必須能顯著地降低固體—液體之間的界面張力，增加固體—液體之間吸附、相容的能力，使體系內(nèi)存在的能量降低。最后，它必須以水化層或帶電層的形式在固體顆粒周圍形成機(jī)械強(qiáng)度較高的界面膜，以阻止固體顆粒間的聚集。

 

對(duì)于被分散的固體，必須盡量減小其顆粒體積，其顆粒體積越小，越有利于表面活性劑對(duì)其潤濕、分化、吸附，在其周圍形成界面膜。例如分散染料，必須經(jīng)過預(yù)先加工、研磨成2μm以下的微小顆粒，才能在分散劑的作用下形成比較穩(wěn)定的懸浮體染色工作液。盡管如此，分散體仍是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，與乳狀液相比，其不穩(wěn)定因素更多、不穩(wěn)定性更大，更易產(chǎn)生凝聚、分層現(xiàn)象，影響正常使用。因此，分散體工作液不宜存放時(shí)間太長，最好現(xiàn)用現(xiàn)配。分散體在染整加工中應(yīng)用較多，如分散染料、還原染料的配制等。常用的分散劑有擴(kuò)散劑NNO、分散劑WA等，其中陰離子型表面活性劑較多。

 

(四)發(fā)泡作用

 

氣體分散在液體中的狀態(tài)稱為氣泡，大量氣泡聚集在一起形成的分散體系稱為泡沫，能促使泡沫形成的能力稱為發(fā)泡作用。泡沫類似于乳狀液和懸浮體，所不同的是內(nèi)相為氣體，而不是液體和固體。

 

泡沫在表面活性劑的作用下更容易產(chǎn)生和穩(wěn)定存在，能促進(jìn)泡沫生成的表面活性劑稱為發(fā)泡劑或起泡劑，能促使泡沫穩(wěn)定存在的表面活性劑稱為穩(wěn)泡劑。

 

形成的泡沫同樣是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，容易因?yàn)闅馀蓍g液膜層產(chǎn)生排液現(xiàn)象和小氣泡穿透大氣泡的合并作用，而使氣泡不斷破裂、泡沫消失。若液體中存在表面活性劑，由于氣泡表面能吸附表面活性劑分子，這些定向排列的分子在氣泡表面達(dá)到一定程度時(shí)，氣泡壁就成為一層堅(jiān)固的薄膜，從而使氣泡間不易發(fā)生合并;

 

又由于表面活性劑在液體表面的定向排列，使液體的表面張力明顯下降，并導(dǎo)致氣泡間的內(nèi)壓差降低，因而排液速度減慢。表面活性劑的上述兩方面作用，降低了氣泡的破裂能力，有利于泡沫的形成和穩(wěn)定存在。表面活性劑協(xié)助泡沫形成的過程見圖4

 

泡沫對(duì)于污垢的去除和懸浮有一定作用，染整加工中也有一些依靠發(fā)泡劑而完成的工藝，如泡沫染色、泡沫印花等新工藝。然而，在染整加工過程中，更多的場(chǎng)合要求低泡或無泡，因而如何抑泡和消泡更受人們的關(guān)注。

 

 

(五)增溶作用

 

在溶劑中完全不溶或微溶的物質(zhì)進(jìn)入表面活性劑形成的膠束中得到溶解，并成為熱力學(xué)穩(wěn)定溶液，這種現(xiàn)象稱為增溶作用，所形成的透明溶液稱為增溶溶液或膠束溶液，被增溶的物質(zhì)稱為增溶溶解質(zhì)，起增溶作用的表面活性劑稱為增溶劑。

 

增溶作用與乳化作用和分散作用既有區(qū)別又有聯(lián)系。

 

其區(qū)別在于:

 

(1)乳化作用僅限于液體—液體之間形成的分散體系，分散作用僅限于固體—液體之間形成的分散體系，而增溶作用所溶解的物質(zhì)，既可以是液體，也可以是固體。

 

(2)乳化作用和分散作用形成的是熱力學(xué)不穩(wěn)定多相分散體系，而增溶作用形成的是熱力學(xué)穩(wěn)定的均相體系。

 

(3)外觀上明顯不同，乳狀液和分散液多為乳白狀和懸濁狀，而增溶溶液為透明狀。

 

其聯(lián)系在于:

 

增溶作用可以看作是乳化作用或分散作用的極限階段、理想狀態(tài)，它們之間有相互轉(zhuǎn)化的途徑。例如:乳狀液也可以成為微乳狀液———外觀由乳白狀轉(zhuǎn)為透明狀，已接近了增溶溶液;向增溶溶液中繼續(xù)加入增溶溶解質(zhì)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，增溶溶液即轉(zhuǎn)變?yōu)槿闋钜?mdash;——外觀由透明狀轉(zhuǎn)為乳白色。

 

增溶溶液與真溶液也有本質(zhì)區(qū)別，真溶液是有機(jī)物或無機(jī)物以分子或離子形式溶解于溶劑中，而增溶溶液“溶解”的增溶溶解質(zhì)是以遠(yuǎn)比分子大得多的“分子集團(tuán)”的形式包圍在膠束中。

 

作為增溶劑而使用的表面活性劑，必須在溶液中達(dá)到足夠的濃度，在溶液中形成足夠多的膠束，才能保證增溶作用的順利產(chǎn)生，而且形成的棒狀、層狀等高級(jí)膠束數(shù)量越多，增溶效果就會(huì)越明顯。

 

增溶作用對(duì)于染整加工也有許多特殊作用，例如:分散染料經(jīng)合適的增溶劑增溶處理，其在水中的溶解度會(huì)明顯提高，有利于工作液穩(wěn)定并提高染色效果;許多高檔含硅類柔軟整理劑需要調(diào)制成穩(wěn)定性非常高的微乳液、增溶溶液才能產(chǎn)生優(yōu)良的整理效果;在去除織物上污垢的過程中，增溶也發(fā)揮重要的去污作用。

 

(六)洗滌作用

 

從浸在某種介質(zhì)(多為水)中的固體表面除去異物或污垢的過程稱為洗滌，能發(fā)揮洗滌作用的化學(xué)品稱為洗滌劑，洗滌劑多以表面活性劑作為主要成分。

 

洗滌作用較復(fù)雜，是表面活性劑的潤濕、乳化、分散、增溶等綜合作用以及攪拌、揉搓、水流等機(jī)械作用的共同結(jié)果。以織物為例洗滌過程可用下式表示:

 

織物·污垢+洗滌劑

 

織物·洗滌劑+污垢·洗滌劑

 

織物+洗滌劑

 

在洗滌過程中，污垢的去除通過如下具體方式:

 

(1)洗滌劑向纖維表面和污垢表面做定向界面吸附，并進(jìn)一步向纖維與污垢之間(相互接觸處)潤濕、滲透。

 

(2)在洗滌劑的分割、取代作用下，污垢與纖維之間的結(jié)合力減弱，并在機(jī)械或水流的作用下脫離纖維。

 

(3)脫離下來的污垢在水溶液中被洗滌劑乳化分散或增溶，不使其再沉積回到織物表面。

 

(4)污垢與洗滌劑隨水溶液被沖洗除去，吸附于織物表面的殘余洗滌劑也一同被沖洗除去。

 

污垢一般分為油性污垢和固體污垢兩類，油性污垢多由動(dòng)、植物油，礦物油等組成，固體污垢主要是塵土、鐵銹、炭黑等。油性污垢與織物間通過分子間引力以面粘接形式結(jié)合在一起，較不易清除，固體污垢與織物間以點(diǎn)粘接形式相連，較易去除。

 

實(shí)際上，油性污垢與固體污垢多以混雜形式摻合在一起形成混合污垢，因此只需采取措施將油性污垢清除，在油性污垢被有效清除的同時(shí)，固體污垢就被一并洗除。油性污垢的去除過程符合“卷縮”機(jī)理。油性污垢脫離纖維表面過程的示意圖見圖6。

 

作為洗滌劑而使用的表面活性劑，其HLB值應(yīng)適當(dāng)，通常分子結(jié)構(gòu)為直鏈型，親水基處于末端的表面活性劑洗滌作用更強(qiáng)。

 

由于纖維在水中多帶負(fù)電荷，因此陰離子型表面活性劑對(duì)織物具有優(yōu)良的洗滌效果，這是因?yàn)殛庪x子洗滌劑在污垢周圍形成的界面層同樣帶有負(fù)電荷，這就使織物與污垢之間產(chǎn)生一定的排斥力，有利于污垢從織物表面脫離，并穩(wěn)定地懸浮在水溶液中。

 

而陽離子型表面活性劑則會(huì)使污垢表面帶正電荷，反而會(huì)加強(qiáng)污垢與織物間的吸附，故陽離子型表面活性劑不宜作為洗滌劑使用。非離子型表面活性劑的cmc值很低，在低濃度下就有較強(qiáng)的去污能力，尤其對(duì)于疏水性的合成纖維，如滌綸織物，具有更好的洗滌效果，常作為洗滌劑使用。

 

洗滌劑的使用效果除與洗滌劑的分子結(jié)構(gòu)、類型有關(guān)外，還與洗滌液的濃度、溫度、pH值以及織物種類、機(jī)械作用等多方面因素密切相關(guān)。

 

適合于染整加工用的洗滌劑品種很多，如凈洗劑AS、凈洗劑AES、凈洗劑LS、凈洗劑105、凈洗劑LAS等產(chǎn)品。采用有機(jī)溶劑作為清洗介質(zhì)的洗滌過程稱為干洗。