表面活性劑一詞源于英文中的surfactant，意為surface active a-gent（面活性添加劑）目前普遍認(rèn)為表面活性劑是這樣一類物質(zhì)：

1）它在分子結(jié)構(gòu)上，由親水基和疏水基兩部分構(gòu)成，疏水基碳鏈（疏水基團(tuán)通常是碳?xì)滏溄M成的，但也可能包括硅氧烷基團(tuán)、氟碳鏈或其他非極性基團(tuán)）碳原子一般在8-20之間；

2）它能活躍于表面和界面上，具有極高的降低表面、界面張力的能力和效率；

3）它在一定濃度以上的溶液中能形成分子有序組合體，從而產(chǎn)生一系列應(yīng)用功能。

圖1 常見表面活性劑分子結(jié)構(gòu)特征示意圖

人們認(rèn)識表面活性劑是從洗滌劑開始的，后來隨著應(yīng)用的發(fā)展逐漸走出了洗滌劑范疇，形成了一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)門類，并進(jìn)入了國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域和國家支柱產(chǎn)業(yè)，如能源工業(yè)、新型材料制備、環(huán)境工程、冶金、電子、機(jī)械、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，有效地改進(jìn)了行業(yè)的生產(chǎn)工藝，對于提高效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源和改善環(huán)境，起著“畫龍點(diǎn)睛”的作用。在20世紀(jì)80年代中期，諾貝爾獎(jiǎng)得主皮埃爾-吉勒·德熱納曾寫道:“沒有了表面活性劑，我們對于工業(yè)上90%的問題都無能為力。”

當(dāng)今，表面活性劑已成為我們工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要部分，它們的性質(zhì)極具特色，應(yīng)用極為靈活、廣泛，有很大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。經(jīng)過多年的發(fā)展，表面活性劑已經(jīng)發(fā)展了很多種品種，根據(jù)應(yīng)用場景需求不同，可以有許多不同的分類規(guī)則，下文將對不同分類規(guī)則進(jìn)行簡單的解析，并對陰離子表面活性劑，陽離子表面活性劑，非離子表面活性劑，兩性離子表面活性劑，高分子表面活性劑，硅表面活性劑，氟表面活性劑展開說明。

一、表面活性劑分類方法

圖2 表面活性劑的分類方法

1、根據(jù)親水基團(tuán)性質(zhì)

因?yàn)楸砻婊钚詣┩ǔＳ糜谒w系，親水基通過離子間的相互作用或氫鍵作用而溶于水，所以常見的分類便是基于表面活性劑親水基的分類。根據(jù)親水基團(tuán)水解后的電荷性質(zhì)，可分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑，后文第二部分將對這四種類型展開說明。

圖3 親水基團(tuán)水解后的電荷性質(zhì)類型

①非離子型表面活性劑：如果表面活性劑在水中不能發(fā)生電離，就稱這種表面活性劑為非離子表面活性劑。

②陰離子和陽離子型表面活性劑：表面活性劑在水中能夠發(fā)生電離，我們就稱這種表面活性劑為離子型表面活性劑；如果電離后能起活性作用的基團(tuán)是陰離子，就稱這種表面活性劑為陰離子表面活性劑；電離后能起活性作用的基團(tuán)是陽離子，就稱這種表面活性劑為陽離子表面活性劑

離子型表面活性劑溶解在水中成為兩種帶相反電荷的離子（表面活性劑離子和它的反離子）。例如，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）是一種常見的陽離子表面活性劑，其化學(xué)式為C₁₆H₃₃(CH₃)₃NBr，在水溶液中，它會(huì)電離成C₁₆H₃₃(CH₃)₃N⁺和Br^- ；十二烷基硫酸鈉（SDS）是一種常見的陰離子表面活性劑，其化學(xué)式為CH₃(CH₂)₁₁OSO₃Na，在水溶液中，它會(huì)電離成 CH₃(CH₂)₁₁OSO₃^-和 Na⁺。

③兩性離子型表面活性劑：如果表面活性劑分子在水中發(fā)生電離后，其親水基的不同部位上分別帶有正電荷和負(fù)電荷（同時(shí)含有陽離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán)），就稱這種離子型表面活性劑為兩性離子表面活性劑。

在不斷改善表面活性劑性能的過程中，發(fā)現(xiàn)了一系列新型結(jié)構(gòu)的表面活性劑，它們具有優(yōu)異的協(xié)同作用以及更好的界面和聚集性質(zhì)。這些新型表面活性劑在過去的三十年中備受關(guān)注，如陰陽離子混合型表面活性劑、Bola型、雙子型、元素型聚合物型以及可聚合型的表面活性劑都屬于此類。

2、根據(jù)疏水基（親油基）結(jié)構(gòu)分類

一般表面活性劑的親油基上只含有碳?xì)鋬煞N元素（含 硅、氟、硼等元素的特種表面活性劑除外），表現(xiàn)在疏水性上的差異不是很明顯。表面活性劑的親油基可以是單鏈的，也可以是雙鏈的、直鏈的或者是支鏈的烷基烴類，也可以是氟碳化合物、硅氧烷或芳香烴，通常包括下列不同的結(jié)構(gòu):

直鏈烷基（C₈-C₂₀）

支鏈烷基（C₈-C₂₀）

烷基苯基（烷基C數(shù)為8~16）

烷基萘基

松香酸衍生物

聚氧丙烯基

全氟聚氧丙烯基

全氟烷基

聚硅氧烷基

......

3、根據(jù)表面活性劑應(yīng)用功能分類

表面活性劑因其特殊的結(jié)構(gòu)、界面和溶液性質(zhì)，進(jìn)而延伸出一系列的功能和應(yīng)用，常被應(yīng)用為乳化劑、洗滌劑、起泡劑、潤濕劑、分散劑、鋪展劑、滲透劑、加溶劑等。

4、根據(jù)表面活性劑的溶解性能分類

可分為水溶性表面活性劑、油溶性表面活性劑。離子型表面活性劑一般為親水性表面活性劑。非離子型表面活性劑則既可以是親水性的，也可以是親油性的，其溶解性取決于親水基團(tuán)吸引水的能力和親油基團(tuán)吸引油的能力之間的平衡，親水親油平衡（HLB）是量化這種相對平衡的指標(biāo)。

5、根據(jù)表面活性劑分類子量大小分類

按表面活性劑分子量可以把表面活性劑分為低分子表面活性劑和高分子表面活性劑。一般情況下，不特殊說明時(shí)，表面活性劑都指低分子表面活性劑。（關(guān)于高分子表面活性劑見本文特殊表面活性劑的展開說明）

6、根據(jù)表面活性劑來源分類

①合成表面活性劑

合成表面活性劑是指通過化學(xué)方法合成制備的表面活性劑。其疏水基部分主要來源于石油化學(xué)制品的烴類，可以是直鏈、支鏈環(huán)狀等不同結(jié)構(gòu)的烴類。一般情況下，表面活性劑的疏水基都是碳?xì)滏湥挥刑胤N合成表面活性劑中疏水鏈?zhǔn)瞧渌牧希绶砻婊钚詣┲惺杷鶠榉兼湥璞砻婊钚詣┲械木酃柩鯚龋@類表面活性劑也叫特種表面活性劑。

②天然表面活性劑

天然表面活性劑是以天然油脂為原料生產(chǎn)的表面活性劑，是在人們認(rèn)識到石油危機(jī)而對天然油脂進(jìn)行開發(fā)的前提下出現(xiàn)的，主要的油脂原料中最常用的是棕櫚油和棕櫚仁油。

棕桐油中的脂肪組成以C₁₂、C₁₄為主體，類似于椰子油。棕櫚仁油（又稱棕仁油，取自棕櫚果的仁）的脂肪酸組成以C₁₆、C₁₈為主體，近似牛脂，因此棕櫚油和棕櫚仁油包括植物油脂和動(dòng)物油脂的各種脂肪酸組成，是一種埋想的油脂原料。從天然油脂原料中可以提純出脂肪酸三甘油脂，經(jīng)過皂化反應(yīng)分離出脂肪酸和甘油。再以脂肪酸和由脂肪酸合成得到的高級脂肪醇為原料，即可合成各種油脂化學(xué)品及表面活性劑。

③生物表面活性劑

生物表面活性劑是指那些由細(xì)菌、酵母和真菌等多種微生物產(chǎn)生的具有表面活性劑特征的化合物。微生物在代謝過程中常分泌出一些具有表面活性的代謝產(chǎn)物，在這些物質(zhì)分子中存在著非極性的疏水基團(tuán)和極性的親水基團(tuán)。其中非極性基團(tuán)大多為脂肪烴鏈或其他烴鏈，極性部分則多種多樣，如脂肪酸的羧基、單或雙磷酸酯基團(tuán)、多羥基基團(tuán)或糖、多糖、縮氨酸等，這些物質(zhì)是微生物細(xì)胞的組成部分，并在一定條件下可分泌到細(xì)胞體外。

生物表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)是可以通過生物的方法得到許多用化學(xué)方法無法合成的表面活性劑，而且可在表面活性劑結(jié)構(gòu)中引進(jìn)新的化學(xué)基團(tuán)，同時(shí)生物表面活性劑易于被生物完全降解，無毒性，無副作用，生態(tài)安全。

二、不同類型的表面活性劑及其常見產(chǎn)品

1、陰離子表面活性劑

陰離子表面活性劑是表面活性劑工業(yè)中開發(fā)最早、產(chǎn)量最大、工業(yè)化技術(shù)最成熟的一類產(chǎn)品。陰離子表面活性劑在水中電離成具有表面活性的陰離子基團(tuán)，其疏水基一般為C8~20的長烴鏈，親水基結(jié)構(gòu)常有羧酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽和磷酸酯鹽等。其結(jié)構(gòu)參考如下：

圖4：陰離子表面活性劑--十二烷基磺酸鈉化學(xué)結(jié)構(gòu)

①磺酸鹽型

磺酸鹽型陰離子表面活性劑其制備方法主要由烷烴、烯烴、芳烴等與磺化試劑發(fā)生磺化反應(yīng)，再經(jīng)中和而得。

②硫酸酯鹽型

硫酸酯鹽型陰離子表面活性劑其制備方法主要由脂肪醇、脂肪醇及烷基酚的乙氧基化物或脂肪酸衍生物等與硫酸化試劑發(fā)生硫酸化反應(yīng)，再經(jīng)中和而得。由于該類表面活性劑分子中存在C-O-S鍵，導(dǎo)致其易水解，特別在酸性介質(zhì)中不穩(wěn)定。因此，其應(yīng)用范圍受到某些限制。

③羧酸鹽型

羧酸鹽型陰離子表面活性劑的親水基為羧基，按親油基與親水基的連接方式可分為兩種類型：一類是直接連接的高級脂肪酸鹽類，即皂類；另一類是親油基通過中間鍵如酰胺鍵、酯鍵、醚鍵等與羧基連接，即改性皂類。

④磷酸酯鹽型

磷酸酯鹽陰離子表面活性劑包括磷酸單、雙酯鹽，該類化合物由脂肪醇、脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚與磷酸化試劑（五氧化二磷、焦磷酸、三氯化磷、三氯氧磷等）反應(yīng)，生成磷酸單酯和磷酸雙酯，再用堿中和而制得。

2、陽離子表面活性劑

陽離子表面活性劑在水中電離成具有表面活性的陽離子片段，其中疏水基與陰離子表面活性劑中的相似，親水基主要為含氮的陽離子基。它們與非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑具有良好的相容性。大多數(shù)與陰離子表面活性劑不相容，一般比陰離子和非離子表面活性劑要貴。

圖4：陽離子表面活性劑--十六烷基三甲基氯化銨化學(xué)結(jié)構(gòu)

疏水基與親水基可直接連接，也可通過酯、醚和酰胺鍵相連。根據(jù)氮原子在分子中的位置，可分為直鏈的胺鹽、季銨鹽和環(huán)狀的吡啶型、咪唑啉型。親水基也可以是含磷、硫、碘的陽離子基，構(gòu)成鹽陽離子表面活性劑。

陽離子表面活性劑有很好的殺菌、抗靜電、柔軟、乳化性能，但洗滌去污性能較差，基于陽離子表面活性劑在固體基質(zhì)上吸附的一些用途如下圖所示。

3、非離子表面活性劑

非離子表面活性劑與其它表面活性劑的一個(gè)最大區(qū)別是，它溶于水后，不發(fā)生電離，在水中是以分子狀態(tài)存在，而不是以離子狀態(tài)存在，其分子中疏水基團(tuán)和離子型表面活性劑的大致相同，而親水基團(tuán)則包含能夠與水形成氫鍵的功能團(tuán)，如醚基、自由羥基等，這些功能團(tuán)常見于環(huán)氧乙烷、多元醇、乙醇胺等化合物中。

非離子表面活性劑分子中不含有羧酸基、磺酸基及硫酸基等酸性基團(tuán)，不會(huì)與金屬離子形成沉淀，因此非離子表面活性劑不怕硬水；非離子表面活性劑分子不帶電，不受強(qiáng)電解質(zhì)的影響；非離子表面活性劑分子中無酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)，所以不受溶液酸堿性的影響。非離子表面活性劑與離子型表面活性劑無不良反應(yīng)，可以混合使用，且相容性好。

在納米材料合成中，由于非離子表面活性劑的CMC較低，在水中易于形成膠團(tuán)，所以在納米粉體中的應(yīng)用較多。非離子表面活性劑品種見下圖。

4、兩性離子表面活性劑

兩性離子表面活性劑，是化學(xué)結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有陽離子和陰離子親水功能團(tuán)的表面活性劑。

圖5兩性離子表面活性劑：椰油酰胺丙基甜菜堿化學(xué)結(jié)構(gòu)

兩性離子表面活性劑的生產(chǎn)成本較高，所以其產(chǎn)品的占有率較低，但由于它與其他表面活性劑混合使用時(shí)表現(xiàn)出良好的相容性及協(xié)同作用，這使得它們在配方設(shè)計(jì)中非常靈活。

5、幾種特殊的表面活性劑=

①氟表面活性劑

傳統(tǒng)表面活性劑分子中碳?xì)滏溕系臍湓硬糠只蛉勘环尤〈统蔀榉砻婊钚詣洫?dú)特性能很大程度上取決于疏水性的碳氟鏈。由于氟原子取代了氫原子，即碳氟鍵取代了碳?xì)滏I，氟原子電負(fù)性大，碳氟鍵的鍵能大，氟原子的原子半徑也比氫原子大，因此該類表面活性劑具有“三高二疏”特性，即高表面活性、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)惰性及疏水性和疏油性。比如全氟烷基磺酸鹽的熱分解溫度達(dá)420℃，不能被濃硫酸和濃硝酸破壞。全氟碳鏈既憎水，又憎油，因此在碳氟化合物表面上，不僅水不易吸附，油也不易吸附，導(dǎo)致水和油都不易在碳氟化合物表面鋪展。

通常情況下氟表面活性劑呈固態(tài)或黏稠液態(tài)，不易揮發(fā)，對環(huán)境無明顯影響，也沒有明顯的毒性，可以像普通表面活性劑一樣安全使用。它與一般表面活性劑一樣，隨著極性基性質(zhì)的不同，氟表面活性劑也分為陰離子型、陽離子型和非離子型等。

表1 陰離子型氟表面活性劑的主要品種

表2 陽離子型氟表面活性劑的常見品種

圖3 兩性氟表面活性劑的常見品種

表4 非離子型氟表面活性劑的常見品種

由于氟表面活性劑具有憎水、憎油的特性，固體表面用氟表面活性劑處理后，可賦于固體表面抗水、抗粘、防污、防塵特性，廣泛用于紡織、皮革、造紙和化工行業(yè)。

②硅表面活性劑

硅表面活性劑顧名思義，就是含硅的表面活性劑。與常規(guī)的表面活性劑類似，含硅表面活性劑按親水基的結(jié)構(gòu)可分為陰離子型、陽離子型、兩性型和非離子型等四類。如果按照疏水基的結(jié)構(gòu)分類，則可分為硅烷基型和硅氧烷基型兩類。由于硅烷基和硅氧烷基均具有很強(qiáng)的疏水性，因此它們成為除氟表面活性劑之外的另一性能優(yōu)異的表面活性劑，具有較高的熱穩(wěn)定性和耐候性，以及優(yōu)良的表面活性、潤濕性、分散性、抗靜電性、消泡和乳化性能。

a、硅烷基型：此類表面活性劑疏水部分的結(jié)構(gòu)通式及品種列舉

b、氧烷基型：此類表面活性劑疏水部分的結(jié)構(gòu)通式及品種列舉。

③高分子表面活性劑

高分子表面活性劑是相對分子質(zhì)量較大而且具有表面活性的化合物。通常合成表面活性劑的相對分子質(zhì)量在400以下，個(gè)別非離子表面活性劑可達(dá)1000~2000，但高分子表面活性劑的相對分于質(zhì)量在2000以上，有的甚至高達(dá)幾百萬。根據(jù)其親水基種類不同，高分子表面活性劑也可以分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性離子型幾類。高分子表面活性劑還可以分為無規(guī)型、嵌段型和接枝型等幾種分子構(gòu)造形式。

圖5 高分子表面活性劑的分類和品種舉例

高分子表面活性劑的性能與低分子表面活性劑相比，它降低表面張力或界面張力的能力小，滲透性也較弱，但乳化力好，分散性和穩(wěn)定性也好，所以，高分子表面活性劑常常用做乳化劑、分散劑和穩(wěn)定劑。高分子表面活性劑分子量對其性能起著關(guān)鍵作用，僅以聚丙烯酸鈉為例，在相對分子質(zhì)量幾千到幾數(shù)萬時(shí)，具有較好的分散效果，可作為分散劑使用，而相對分子質(zhì)量為幾十萬時(shí)，增稠效果明顯，可作為增稠劑使用；當(dāng)相對分子質(zhì)量為幾百萬時(shí)則成為良好的絮凝劑。因此控制高分子表面活性劑的分子量就可以得到不同功能的高分子表面活性劑。尤其值得我們粉體工業(yè)行業(yè)注意的，高分子表面活性劑在在納米粉體生產(chǎn)過程中常被用做分散劑。

參考資料：

1、表面活性劑原理與應(yīng)用，楊繼生編著

2、表面活性劑物理化學(xué)基礎(chǔ)，侯海云，韓興剛，馮朋鑫編著

3、表面活性劑與納米技術(shù)，李玲編著

4、表面活性劑：原理、合成、測定及應(yīng)用/趙世民編

粉體圈編輯：Alpha