Bài giảng hóa tính chất hoạt động bề mặt

CHẤT HĐBM CHẤT HĐBM ANION ANION các các hoạt hoạt động động học học chính chính 14 Xà phòng = acid béo tác dụng với chất kiềm RCOOX.. Phản ứng xà phòng hóa dầu mỡ của động thực vật => xà

Trang 1

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương Tên Tên chương chương Số

tiết

Phân bố thời gian

Ghi chú

học

3 Hóa học các chất hoạt

2

Bài Bài giảng giảng chủ chủ yếu yếu được được soạn soạn dựa dựa trên trên cuốn cuốn sách sách chính chính: : Chemistry and Technology of Surfactants

Edited by

Richard J

Richard J Farn Farn

Consultant and former Director

of the British Association for Chemical for Chemical Specialities Specialities

•• Nội Nội dung chi dung chi tiết tiết

•• 3.1 3.1 Giới Giới thiệu thiệu chung chung

•• 3.1.1 3.1.1 PhânPhân loạiloại theotheo bảnbản chấtchất nhómnhóm háoháo nướcnước

•• 3.1.2 3.1.2 PhânPhân loạiloại theotheo bảnbản chấtchất nhómnhóm kỵkỵ nướcnước

•• 3.1.3 3.1.3 PhânPhân loạiloại theotheo bảnbản chấtchất liênliên kếtkết nhómnhóm kỵkỵ

nước

nước vàvà áiái nướcnước

•• 3.1.4 3.1.4 CácCác phươngphương pháppháp tổngtổng hợphợp

•• 3.2 3.2 Chất Chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt anion anion

•• 3.2.1 3.2.1 ChấtChất hoạthoạt độngđộng bềbề mặtmặt nguồnnguồn gốcgốc acid acid

carboxylic

•• 3.2.2 3.2.2 ChấtChất hoạthoạt độngđộng bềbề mặtmặt sulfatesulfate

•• 3.2.3 3.2.3 ChấtChất hoạthoạt độngđộng bềbề mặtmặt sulfonatesulfonate

•• 3.2.4 3.2.4 CácCác phươngphương pháppháp tổngtổng hợphợp 3 4

•• 3.3 3.3 Chất Chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt cation cation

• 3.3.1 Giới thiệu

• 3.3.2 Các phương pháp tổng hợp

•• 3.4 3.4 Chất Chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt lưỡng lưỡng tính tính

•• 3.5 3.5 Chất Chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt không không ion ion

• 3.6 Ứng dụng tổng quát

Chất HĐBM anion

Chất HĐBM cation

Chất HĐBM nonionic

Chất HĐBM lưỡng tính

Các em lưu ý trong chương này có

các thí nghiệm và thuyết trình của các

nhóm xen kẽ trong các buổi học liên

quan đến:

Trang 2

Sản lượng lượng về về nhu nhu cầu cầu CHĐBM CHĐBM trên trên

TG

Trang 3

Các nhà cung cấp phổ biến

13

 GV GV giảng giảng bài bài:: cô cô đọng đọng nội nội dung dung quan

quan trọng trọng về về anionic anionic

Làm Làm thí thí nghiệm nghiệm về về CHĐBM CHĐBM anionic anionic tại

tại lớp lớp

Nhóm Nhóm thuyết thuyết trình trình theo theo danh danh sách sách

CHẤT HĐBM CHẤT HĐBM ANION ANION các

các hoạt hoạt động động học học chính chính

14

Xà phòng = acid béo tác dụng với chất kiềm (RCOOX)

Phản ứng xà phòng hóa dầu mỡ của động thực vật => xà phòng

Chất HĐBM nguồn gốc acid carboxylic- Xà phòng

16

Nguyên liệu

*Dầu mỡ động thực vật: ester của alcohol 3 chức

là glycerin và các acid béo khác nhau => glyceride

CH2 CH

CH2

OCOR1 OCOR2 OCOR3

Các R là mạch carbon có số C từ 6-20, thường là số chẵn và mạch thẳng.

Một số dạng acid béo

Acid lauric (C12): CH3-(CH2)10-COOH

Acid myristic (C14): CH3-(CH2)12-COOH

Acid palmitic (C16): CH3-(CH2)14-COOH

Acid caprilic (C8): CH3-(CH2)6-COOH

Acid oleic (C18): CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7

-COOH

Acid linoleic (C18): CH3-(CH2)4-(CH=CH)2

-(CH2)8-COOH

Acid stearic (C18): CH3-(CH2)16-COOH

Chất HĐBM nguồn gốc acid

carboxylic- Xà phòng

17

18

CH2 CH

CH 2

OH OH OH

CH2 CH

CH 2

OCOR1 OCOR2 OCOR 3

O

R3COOH

R1COOH 3

OH-H+

RCOOH + NaOH RCOONa + 2 O

Nguyên tắc chính là thủy phân liên kết ester của glyceride, đưa về dạng acid tự do và trung hòa các acid béo đó để được xà phòng

Tác nhân kiềm:

NaOH: thường dùng KOH: điều chế các dạng xà phòng mềm, trong.

Sodium carbonate: không thể xà phòng hóa glyceride, nhưng trong một giới hạn, có thể xà phòng hóa các acid béo.

Trang 4

carboxylic-Xà phòng

19

Nguyên tắc sản xuất Cách 1: dầu mỡ -> acid béo -> xà phòng => thiết bị

phức tạp và đắt tiền, dễ thu glycerin và điều chỉnh

thành phần các acid béo

Cách 2: dầu mỡ -> xà phòng => lợi về thiết bị, chi phí

năng lượng => thông dụng

•Phương pháp không gia nhiệt: dầu mỡ + NaOH ->

khuôn sắt, 30oC

•Phương pháp nấu xà phòng gia nhiệt: dầu mỡ +

NaOH-> thiết bị khuấy, 80-85oC

•Phương pháp nấu xà phòng liên tục: dầu + NaOH,

NaCl 20% -> nồi cao áp

20

Tách lớp xà phòng:

Sau phản ứng, dung dịch muối ăn được dùng để rửa, tách glycerin ra khỏi xà phòng.

Xà phòng không tan trong nước muối

nghịch -> glycerin lại tan trong nước muối -> tách lớp -> loại ra.

carboxylic- Xà phòng

21

Loại muối khỏi xà phòng

Xà phòng thô được pha trộn với NaOH

loãng (hay soda), đun nhẹ.

Muối tan vào dung dịch, sau đó làm

lạnh, xà phòng kết tinh, tạo lớp mịn nổi lên

trên.

Xà phòng được tách ra để thu.

Tinh chế nhiều lần để thu xà phòng

sạch.

22

Tính chất của một số loại xà phòng

• Độ dài của dây và độ không no của acid béo => tính HĐBM, độ hòa tan của xà phòng

• Acid béo mạch ngắn => dễ hòa tan, tạo bọt tốt nhưng bọt

ít bền, tính tẩy rửa kém

• Acid béo mạch dài => tính tẩy rửa tốt, bọt bền nhưng lại

có độ hòa tan kém

• Acid béo mạch no/không no => nhiệt độ nóng chảy cao hơn, nên tạo xà phòng có độ cứng cao hơn

• Xà phòng có nối đôi/không có nối đôi => dễ bị oxi hóa, tạo màu, mùi không mong muốn và hoạt tính tẩy rửa kém hơn

carboxylic- tự nhiên khác

23

Các chất HĐBM từ acid carboxylic thiên nhiên khác

• Acid carboxylic từ nhựa thực vật (colophane hay

rosin)

Chất HĐBM nguồn gốc acid carboxylic- tự nhiên khác

24

Các chất HĐBM từ acid carboxylic thiên

nhiên khác

Colophane tan trong kiềm, tạo muối natri gọi là

xà phòng colophane

Nhược điểm là chúng không bền và có màu

Khắc phục bằng cách:

+Hydrogen hóa: loại bỏ nối đôi, làm mất màu và loại được tạp chất

+Dehydro hóa: tạo vòng thơm 6 cạnh, có khả năng chống oxi hóa

+Polymer hóa: tăng độ bền, có tính tạo nhũ tốt hơn

Trang 5

carboxylic- tự nhiên khác

25

• Naphthenic acid

Chất HĐBM nguồn gốc acid carboxylic- tự nhiên khác

26

• Acid naphthenic có trong một số loại dầu mỏ Khi xử lý với kiềm, hình thành xà phòng có hoạt tính cao

• Acid naphthenic thô có màu tối, mùi khó chịu  tinh chế bằng chưng cất chân không  vẫn còn mùi

• Sản phẩm thường vẫn còn 5-10% thành phần không

xà phòng được (chủ yếu là hydrocarbon)

carboxylic- từ tổng hợp

27

 Paraffin rắnoxi hóa acid béo tổng

hợp với mạch C thẳng => nhiều sản

phẩm

 Để nấu xà phòng: dùng phân đoạn C10-20

 Để sản xuất xà phòng bột: dùng phân đoạn

C10-16

 Để sản xuất xà phòng cục: dùng phân đoạn

C16-20

Chất HĐBM sulfate

28

•Chứa nhóm sulfate –OSO3- trong phần

ái nước

•Nhóm sulfate liên kết trực tiếp/gián tiếp với phần kỵ nước qua các liên kết trung gian như amide (-CONH-), ester, ether……

•Nhóm sulfate là nhóm phân cực duy nhất hay chủ yếu trong phần ái nước

29

Alkyl sulfate: chất HĐBM tiêu biểu cho họ

sulfate

•Khả năng tẩy rửa: alkyl sulfate bậc I tốt

hơn bậc II.

•Khả năng tẩy rửa: alkyl sulfate bậc I tốt

nhất khi mạch C chứa 12-16 nguyên tử,

đối với alkyl sulfate bậc II tốt nhất là

15-18.

•Tính HĐBM của alkyl sulfate bậc II:

giảm khi nhóm sulfate di chuyển vào

giữa mạch.

30

Ví dụ: pentadecyl sulfate:

C15H31OSO2ONa bậc 2, khi nhóm sulfate

di chuyển từ C2 vào C6 thì khả năng tẩy rửa của chúng chỉ còn một nửa.

Tính HĐBM: giảm khi gốc alkyl phân nhánh

Khả năng phân hủy sinh học của alkyl sulfate: giảm khi gốc alkyl phân nhánh

Trang 6

Chất HĐBM sulfonate

31

nước

• Nhóm sulfonate là nhóm định chức duy nhất hay

chủ yếu trong phần ái nước

• Nhóm sulfonat liên kết trực/gián tiếp với phần kỵ

nước qua các liên kết trung gian như liên kết

amide, ester…

• Quá trình sulfo hóa các acid sulfonic hay dẫn

xuất của nó có nguyên tử S liên kết trực tiếp với

nguyên tử C

Chất HĐBM sulfonate

32

Các loại cần quan tâm

• Chất HĐBM alkyl arene sulfonate

• Chất HĐBM alkene sulfonate

• Chất HĐBM alkane sulfonate

Chất HĐBM sulfonate-alkyl arene sulfonate

33

Phổ biến:

• Kỵ nước: gốc alkyl thường có khoảng 12 C +

vòng benzene

• Ái nước: là nhóm sulfonate – SO3

-DBSA (dodecyl benzene sulfonic acid)

Một số tính chất cơ bản

• Gốc alkyl phân nhánh có khả năng tẩy rửa thấp hơn so với gốc alkyl thẳng

• Gốc alkyl càng phân nhánh -> càng dễ tan trong nước

• Chiều dài gốc alkyl tăng, độ phân nhánh tăng->

khả năng hòa tan trong nước giảm

• Vị trí nhóm phenyl sulfonate cũng ảnh hưởng đến tính chất tẩy rửa

• Độ phân nhánh của gốc alkyl tăng -> khả năng phân hủy sinh học giảm

34

Chất HĐBM sulfonate Chất HĐBM sulfonate alkyl arene sulfonate alkyl arene sulfonate

Một số ứng dụng:

• Sản phẩm tẩy rửa

• Chất tạo bọt trong chữa cháy

• Ngành xi mạ

• Xử lý bề mặt kim lọai

Chất HĐBM sulfonate-alkyl arene sulfonate

35

Lynx AFFF 3*6 is a scientific blend of super wetting, dense foaming surfactants, for use

as Fire Fighting Foam or Suppressant on Class A & B fires Lynx AFFF3*6 meets the requirements of NFPA 11, Standards for Low, Medium, and High-Expansion Foam.36

Trang 7

Chất HĐBM cation  hòa tan vào nước

 ocation có tính HĐBM oanion không có tính HĐBM

•Xà phòng đảo ngược

•Không có khả năng tẩy rửa

•Hấp phụ mạnh lên xơ sợi hoặc vải, len,

bề mặt…

CHẤT HĐBM CATION

38

•Chất HĐBM cation chủ yếu dựa vào

nguyên tử N hay S

•N thường nằm dạng amine hay vòng.

•Những chất HĐBM quan trọng: amine

mạch dài bậc 1, bậc 2, bậc 3 và muối

amoni bậc 4

CHẤT HĐBM CATION

39

Khác biệt quan trọng của amine và muối amoni: độ tan

Các amine bậc 1, bậc 2, bậc 3 mạch dài : không tan trong nước và các dung dịch

pH đủ thấp để proton hóa nhóm amine.

Muối amoni bậc 4 có thể tan trong các dung dịch kiềm, trung tính hay acid.

CHẤT HĐBM CATION

40

SO SÁNH CHẤT HĐBM ANION – CATION

alcohol mạch dài, paraffin thẳng mạch dài

Tương tự

Cơ chế hình thành

ion xảy ra

Tại các nhóm carboxylic, sulfate, sulfonic

Tại nguyên tử N hay nhóm chứa N Các ion ảnh hưởng

đến tính chất của

chất HĐBM (độ

tan)

Na+, K+, NH4+ Cl-, sulfate,

sulfonate, aryl sulfonate

41

Một số ứng dụng chất HĐBM CATION

42

Chất làm mềm vải sợi

Các sợi nhỏ tạo các yếu điểm

-Tạo vẻ thô cứng -Nơi giữ, tàng trữ các chất kết tủa, hạt bẩn -> làm xám quần áo

-Ngăn cản dung dịch tẩy rửa thấm vào -> giảm hiệu năng giặt giũ

-Thay đổi độ phân tán ánh sáng -> vải mờ đi

Sự thay đổi của sợi sau khi giặt

Trang 8

Tác động của chất làm mềm lên bề mặt vải sợi

Chỉ được dùng sau khi giặt, không thêm vào đồng

thời vì sẽ tạo với anion thành các muối khó tan.

Hiệu quả:

-Chống thô cứng

-Vải vóc trơn bóng, dễ ủi

-Hạn chế tĩnh điện

43

Điển hình là DSDMAC (Distearyl Dimethyl Amoni Chloride) hay DHTDMAC (Dihydroenated Tallow Dimethyl Amoni Chloride)

DSDMAC và DHTDMAC được thay thế bằng các ester amoni thế 4 lần -> dễ phân hủy sinh học hơn, ít độc hại cho sinh vật sống trong môi trường

46

Trong dung dịch dệt nhuộm

Trong giai đoạn hoàn tất vải: hấp phụ lên xơ sợi, làm

giảm lực hút giữa các sợi -> vải vóc sẽ mềm mại hơn

Tẩy trùng, diệt khuẩn

• Bản thân một số chất HĐBM dạng cation có tính

diệt khuẩn

Ví dụ: alkyl pyridynium halogenua, alkyl

trimethyl amonium chloride (gốc alkyl là C 16 H 33 -)

• Dùng để tẩy trùng quần áo, vải vóc, tiệt trùng

chén bát, ly tách, dụng cụ y khoa,

47

Trang 9

CHẤT HĐBM LƯỠNG TÍNH

50

Chất có chứa nhóm chức có tính acid đồng thời chứa nhóm chức có tính base

Là cation ở pH thấp và là anion ở pH cao

Trong khoảng pH trung gian, chúng vừa tích điện

âm vừa tích điện dương (cấu trúc lưỡng cực)

Người ta chia chất HĐBM lưỡng tính làm 2 loại:

+Chất HĐBM lưỡng tính acid carboxylic + Chất HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate

Chất HĐBM lưỡng tính acid carboxylic

51

HCl COOH RNHCH COOH

ClCH

RNH2 2  2 

RNHCH 2 COOH

ClCH 2 COOH

Cl

H

RNCH2 COOH

+

CH 2 COOH

CH 2 COO(-) R

-ClCH 2 COOH Cl

H

tẩy giặttốt trongmôi trường acid lẫn trong môi

trường kiềm

Chất HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate

52

Sulfate hóa các amine mạch dài có chứa liên kết đôi hay nhóm O trong phần kỵ nước

CH 3 (CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 CH 2 NH 2

H 2 SO 4

CH 3 (CH 2 ) 7 CH 2 CH CH(CH 2 ) 7 -CH 2 -NH 2

OSO3H (1-amino, 9,10-octadecene)

hay

OH

OSO 3 H

H 2 SO 4

9- hydroxy octadecyl amine

Chất HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate

53

Điều chế trực tiếp từ chất HĐBM sulfonic

RNH2 ClCH2CH2SO3H RNHCH2CH2SO3H

R N+

CH2CH2SO3H

R NH

CH2CH2SO3H

+

Ứng dụng của chất HĐBM lưỡng tính

54

Đặc điểm sản phẩm +Tính tẩy rửa tốt

+Tạo bọt +Không hại da, không làm rát da +Ít độc hại

Do vậy thường được dùng trong dầu gội đầu (đặc biệt cho em bé), sữa tắm,…

Trang 10

CHẤT HĐBM KHÔNG ION

55

Phần ái nước không ion hóa khi hòa tan vào

nước nhưng vẫn phân cực

mới có thể tan được trong nước

•Mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ

nước có thể thay đổi trong một giới hạn rộng

(khi chiều dài phần kỵ nước không đổi) bằng

cách thay đổi kích thước phần ái nước

56

•Phần ái nước chứa liên kết polyether và nhóm hydroxyl: ethylene oxide, propylene oxide, polyglycol, diethanolamine, sorbitol…

•Phần kỵ nước tạo thành từ các hợp chất mạch dài có chứa nguyên tử H linh động như alkyl phenol, rượu, amine, mercaptan (RSH), acid béo, amide mạch dài….

57

Một số ví dụ cơ bản:

Polyoxyethylene glycol alkyl ether

HOCH 2 CH 2 OH + n(CH 2 CH 2 O) → HO(CH 2 CH 2 O) n+1 H

Alkali catalyst: NaOH, KOH, Na 2 CO 3

Catalyst: magnesium-, aluminium-, or calcium organoelement compounds

58

Một số ví dụ cơ bản:

•Polyoxypropylene glycol alkyl ether

59

•Glucoside alkyl ether

60

•Polyoxyethylene glycol alkylphenol ether

Triton X-100 C14H22O(C2H4O)n

Trang 11

61

•Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl

Polysorbate

62

•Polyethoxylated tallow amine

63

Cocamide MEA

cocamide monoethanolamine

64

Cocamide DEA

cocamide diethanolamine

66

Các chất HĐBM không ion

•Khả năng tẩy rửa tương đối cao: kém

hơn so với chất HĐBM anion như sulfate, sulfonate tương ứng

•Khả năng tẩy rửa phụ thuộc vào chiều

dài nhóm kỵ nước và chiều dài nhóm

(-C2H4O-)n

•Các chất HĐBM không ion cũng ít tạo bọt

hơn chất HĐBM ion.

Trang 12

Ứng dụng chất HĐBM không ION

67

Dùng trong dầu gội đầu hoặc các loại

mỹ phẩm khác

Dầu gội đầu phải đáp ứng yêu cầu sau:

•Có khả năng tạo bọt tốt, khi gội đầu phải cho nhiều

bọt, bọt mịn, bền (bột giặt thì bọt phải to)

•Dễ lan rộng lên tóc và da đầu

•Có hiệu quả làm sạch tốt

•Dễ rũ sạch sau khi gội

•Tóc sau khi gội phải mềm mại dễ chải, không bị rối

•Không gây kích thích da và mắt

Để đáp ứng các yêu cầu trên -> phải dùng hỗn hợp các chất

HĐBM phối hợp với các phụ gia khác nhau.

68

Chất HĐBM không ion còn được sử dụng làm phụ gia trong chế biến thực phẩm

Ví dụ: dùng trong bơ và các loại dầu chiên Khi chiên bánh, khoai tây, dầu chiên và bơ thường bị bắn ra ngoài do hiện tượng gia nhiệt cục bộ và

do nước bốc hơi quá nhanh Nếu có thêm một lượng thích hợp chất HĐBM vào thì nước sẽ thoát ra từ từ và đồng đều, khắc phục được hiện tượng trên có thể sử dụng stearyl monoglyceride sulfate hoặc ester của acid béo với polyol

69

Ngoài ra trong ngành chăn nuôi sử dụng

chất HĐBM làm chất kích thích tăng trưởng ,

chúng giúp cho các chất bổ dễ dàng hấp

phụ thành ruột, hiệu quả sử dụng thức ăn

được nâng cao, gia súc tăng trưởng nhanh.

Một loại chất HĐBM được sử dụng rộng rãi

ở VN là SMG, là monoglyceride sulfate hóa

(giúp tăng trọng 15-30%).

“Salbutamol và Clenbutarol đều được hấp thu dễ dàng qua đường tiêu hóa Vì vậy, chất này còn tồn dư trong thịt bao nhiêu thì người sử dụng sẽ hấp thụ bấy nhiêu

Sau một thời gian tích lũy trong cơ thể, người tiêu dùng sẽ bị nhiễm độc gây nhức đầu, run tay chân, buồn nôn, nhịp tim nhanh, làm tăng hoặc hạ huyết áp, rối loạn tiêu hóa Trường hợp ngộ độc nặng có thể nguy hiểm đến tính mạng

71

Năm 1990 1996 2000 1990 1996 2000

Alcohol ethoxylate 330

845 875

207 230

560 Alkylphenol

ethoxylate

Nonionic khác 180 225 225 326 N/A N/A

Tổng cộng 600 1070 1100 740 740 (E) 890 (E)

Lượng chất HĐBM không ion được sản xuất ở Tây

Âu và USA (ngàn tấn)

72

Lượng EO trên thế giới (10,5 triệu tấn/năm)

sử dụng để sản xuất trong các lĩnh vực

Monoethylene glycol 60%

Polyethylene glycol 10%

Các lĩnh vực khác (glycol ether, ethanolamine, PET…)

15%

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	0,9 MB