表面活性剂事一类有机化合物，他们的结构特点使得这类化合物具有应用范围广、使用灵活、用量极少、性能优越的特点，因而被誉为“工业味精”，在显著改善界面物理化学性质、改进生产工艺、降低消耗和提高产品质量等方面都表现出其性能的优势。而事实上，进来研究表明，表面活性剂并不单单扮演着“工业味精”的功能。表面活性剂所形成的分子有序聚集体在各种过程如湿润、增溶、乳化、分散等中发挥着重要的作用，尤其是进入现代科技时代，表明活性剂在纳米材料的合成及性能优化、DNA及药物等医学领域、分子探针技术甚至生命科学、能有科学、信息科学等方面发挥着重要的作用，成为物理、化学、生物三大基础科学和许多技术部门共同关心的领域。作为一门新的学科分支，表面活性剂的原理、应用及其特殊功能早已成为各个领域学者的共同需要。
从原则上讲，凡是能降低表面张力的物质都具有表面活性，然而表面活剂则是指能显著降低溶剂（一般为水）表面张力和液一液界面张力，并具有一定结构
裒面活性剂分子堵构特征示意图浦CitFiiiSOfNB+iCh)具有亲水亲油特性和特殊吸附性能的物质。
表面活性剂之所以能显著降低表面张力和液一液界面张力，原因在于其具有两亲结构特征，但并不是所有具有两亲结构的分子都是表面活性剂。甲酸、乙酸、丙酸、丁酸都具有两亲结构，但并不是表面活性剂，而只是具有表面活性而已。只有疏水基足够大的两亲分子才显示表面活性剂的特性。对于正构烷基来说，碳链长度须在8个碳原子以上。如果疏水基过大，则溶解度太小，应用受到限制。自从人们发现基于两亲分子不溶膜的LB技术可作为分子组装的重要手段以来，两亲分子不溶物也由此受到重视。多数表面活性剂的疏水基呈长链状，人们常形象地把疏水基叫做“尾巴”，亲水叫做“头”。整个表面活性剂分子常以图1.1所示图形示意。
从结构看，所有的表面活性剂都是由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成。亲水基与水分子作用，使表面活性剂分子引入水；而亲油基与水分子相排斥，与非极性或弱极性溶剂分子作用，使表面活性剂分子引入油（溶剂）。表面活性剂分子的亲油基一般是由烃基构成的，而亲水基则由各种极性基团组成，种类繁多，因此，表面活性剂在性质上的差异，除与烃基的大小和形状有关外，主要与亲水基团的类型有关。亲水基团在种类和结构上的改变远比亲油基团的改变对表面活性剂性质的影响要大，所以，表面活性剂一般以亲水基团的结构为依据来分类。按亲水基是否带有电荷将表面活性剂分为离子型和非离子型两大类。离子
型表面活性剂的分子在水中能电离，形成带正电荷、带负电荷或者同时带正电荷和负电荷的离子。带正电荷的称为阳离子表面活性剂；带负电荷的称为阴离子表面活性剂；同时有正电荷和负电荷的则称为两性表面活性剂。非离子型表面活性剂分子在水中不电离，呈电中性。
表面活性剂的相对分子质量一般为几百至几千，而几千至几万以上的则称为高分子表面
活性剂。表面活性剂有的是从天然物质中提取制得的，有的是通过化学合成制备的，前者称为天然表面活性剂（以区别于后者）。此外，还有在疏水基上氢被氟取代的碳氟类表面活性剂，聚硅氧烷类的硅氧烷类表面活性剂，含钛的特种金属表面活性剂，以及冠醚类表面活性剂。此外还有Gemini型和Bola型等新型表面活性剂，这些表面活性剂均有其独特的性能，故统称为特种表面活性剂。表面活性剂通常有如下四种分类方式。
按离子型分类。离子型分类法是常用的分类方法，它实际上是化学结构分类法。表面活性剂溶于水后，按离解或不离解分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂又可按产生电荷的性质分为阴离子型、阳离子型和两性型表面活性剂。离子型分类方法见表1.1。
按溶解性分类。按在水中的溶解性I表面活性剂可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂，前者占绝大多数。董国君，苏玉等编著.表面活性剂化学.
按相对分子质量分类。相对分子质量大于10000的称为高分子表面活性剂，相对分子质量在100010000的称为中分子表面活性剂，相对分子质量100?1000的称为低分子表面活性剂。常用的表面活性剂大都是低分子表面活性剂。
按用途分类。表面活性剂按用途可分为表面张力降低剂、渗透剂、润湿剂、乳化剂、增溶剂、分散剂、絮凝剂、起泡剂、消泡剂、抗静电剂、杀菌剂、缓蚀剂、柔软剂、防水剂、织物整理剂、匀染剂等。通常情况下，表面活性剂的分类按离子类型进行。
在自然界中任何物质都以气体、液体或固体三种状态存在，它们之间不可避免会发生相互接触，两相接触便会产生接触面。通常把液体或固体与气体的接触面称为液体或固体的表面，把液体与液体、固体与固体、或固体与液体的接触面称为界面。
由于两相接触面的分子与其体相内部的分子所处的状态不同，因此会产生特殊的现象。例如在没有外力的影响或影响不大时，液体总是趋于成为球状，如水银珠和植物叶子上的露珠。即使施加外力后将水银珠压瘪，一旦外力消失，它便会自动恢复原状。可见液体总是有自动收缩而减少表面积，从而降低表面自由能的趋势。体积一定的各种各种形状中，球形表面积最小，这一表面现象可以从表面张力和表面自由能两个角度来解释。
任何分子都会受到来自分子周围分子的吸引力，如图所示液体内部和表面分子的受力情况。mm’横线表示气相和液相的接触面，A和A’分别表示处于液相不同位置的分子，分析它们的受力情况发现，液相中间的分子A’从各个方向受到的引力相互平衡
前面提到，液体自动收缩的表面现象还可以从能量的角度来解释。液体表面自发地缩小，则会减少自由能，如按相反过程，使液体产生新表面的dA，则需要一定的功dG，他们之间的关系可以表示为
可见r从力的角度讲是作用于表面单位长度边缘上的力，叫表面张力；从能量角度讲是单位表面的表面自由能，是增加哦单位表面积液体时自由能的增值，也就是单位表面上的液体分子比处于液体内部的同量分子的自由能过剩值，是液体本身固有的基本物理性质之一。
表面张力现象和表面自由能不仅存在于液体表面，也存在于一切相界面上，特别是在互不溶的两种液体的界面上更为普遍。例如油水两相分子间的互相作用存在一定差异，但小于气相和水相的差异，因此油水表面张力一般小于谁的表面张力。
不同类型的物质在溶液中的状态不同。当物质加入液体中后，他在液体表面层的浓度与液体内部的浓度不同，这种改变浓度的现象称为吸附现象。使表面层的浓度大于液体内部的浓度的作用称为正吸附，反之，为负吸附。通常人们称正吸附为吸附。因溶质在表面发生吸附而使溶液表面张力下降的性质称为表面活性，这类物质被称为表面活性剂。
表面活性剂之所以能够在极低的浓度下显著降低溶液的表面张力是与其分子结构特点密不可分的。表面活性剂通常由两部分组成：一部分是疏水基团，另一部分是亲水基团。这两部分分处于表面活性剂两端，形成不对称结构，因此表面活性剂分子是一种双亲分子，具有既亲油又亲水的双亲性质。
分子中的水溶性。而另一部分因疏水油自水中逃离的性质，一次表面活性剂分子会在水溶液体系中（包括表面、界面）发生定向排列。它们从溶液的内部转移至表面，以疏水基朝向气相（或油相），亲水基插入水中，形成紧密排列的单分子吸附层，如图所示，满足疏水基逃离水包围的要求，这个溶液表面富集表面活性剂分子的过程就是使溶液的表面张力急剧下降的过程。因此非极性物质往往具有较低的表面自由能，表面活性剂分子吸附于液体表面，用表面自由能低的分子覆盖了表面自由能高的溶剂分子，因此溶液的表面张力降低。
随着表面活性剂浓度的增加哦，谁表面逐渐被覆盖。当溶液浓度增加到一定值后，谁表面全部被活性剂分子占据，道道吸附饱和，表面张力不在继续明显降低，而使维基本稳定。此时表面活性剂的浓度再增加，其分子会在溶液内部采取另外一种排列方式，即形成胶束。
形成胶束是表面活性剂重要性质之一，也是产生增溶、乳化、洗涤、分散、和絮凝作用的根本原因。
表面活性剂分子的亲油基团之间因疏水性质存在显著的吸引作用，易于互相靠拢、缔合，从而逃离水的包围。如图所示，当表面活性剂在溶液表面的吸附达到饱和之后，他们便在溶液内部油分子或离子分散状态缔合成由数十个乃至数百个离子或分子组成的稳定胶束。此时，在提高表面活性剂的浓度已不能显著增加农业中单分子或离子的浓度，而只能形成更多的胶束。
在水介质中，表面活性剂将极性的沁水基团朝外形成与水接触的外壳，将朝内排列的非极性基团包在其中，使它们不于水接触。可见，胶束的形成实际是表面活性剂分子为缓和水和疏水基之间的排斥作用而采取的另一种稳定化方式，疏水作用导致表面活性剂在表面上的吸附和在溶液内部胶束的生成，其根本的决定因素是活性剂分子的双亲结构。
所谓的增溶作用是指由于表面活性剂胶束的存在，使得在溶剂中难容乃至不溶物质溶解度显著增加的作用。例如室温下奔在水中溶解度很小，每100g谁只能溶解0.07g苯，但在10%的油酸钠谁溶液中，苯的溶解度达到7g/100g，增加了100倍，这是通过油酸钠胶束的增溶作用实现的。
增溶作用的基础是胶束的形成，表面活性剂浓度越大，形成的胶束越多，难容物或不溶物溶解得越多，增容量越大。增溶作用是与胶束密切相关的现象，了解增溶的方式，掌握被增溶物质与胶束之间的相互作用，对有效地应用怎荣作用具有十分重要的意义研究发现增溶主要有四种方式。
（1）非极性分子在胶束内核增溶，饱和脂肪烃、环烷烃以及苯等不易极化的非极性有机化合物，通常被增溶于胶束内核中，就像溶于非极性碳氢化合物液体中一样，如图（a）
（2）表面活性剂分子间的增溶，对于分子结构与表面活性剂相似的极性有机化合物，如长链的醇、胺、脂肪酸和极性染料等两亲分子，则是增溶于胶束的“栅栏”之间，如图（b）
（3）胶束表面的吸附增溶，图（c）这些化合物被吸附于胶束表面区域或分子“栅栏”靠近胶束表面区域，光谱研究表明它们处于完全或接近完全极性环境中。
（d）聚氧乙烯链的增溶，以聚氧乙烯基为亲水基团的非离子表面活性剂，通常将被增溶物包藏在胶束外层的聚氧乙烯链中，如图（d）。
在石油工业中，增溶作用被利用来“驱油”一提高石油的开采率。利用表面活性剂在溶液中形成胶束的性质，叫表面活性剂、助剂和油混合在一起搅动，使之形成均匀的“胶束溶液”。这种溶液溶解原油，切具有足够的粘度，能很好地湿润岩层，遇水不分层，当流过岩层时有效地洗下黏附于砂石上的原油，达到提高开采率的目的。
胶片生产过程中，胶片上常常出现微小优质杂志造成斑点，在乳化剂中胶乳适当的表面活性剂，利用胶束的增溶作用可以使斑点消除。此外，增溶作用在洗涤去污中也发挥着重要作用。
乳状液是指一种或多种液体以液珠形式分散在它不相混溶的液体中构成分散系，由于体系呈现乳白色而被称为乳状液，形成乳状液的过程叫乳化。在乳状液体系中，以液珠形式存在的一相称为内相，由于其不连续性又称为不连续相或分散相。另一相连成一片，叫做外相或连续相或分散介质。由于大部分乳状液有一相是水或谁溶液，另一相是与水不互溶的有机相，固乳液的两相也分别被称为水相和油相。
（3） 套圈型由水相和油相一层一层交替分散形成乳状液，主要有油包水再包油（O/W/O）和水包油再包水（W/O/W）两种形式。
乳状液存在巨大的相界面，是热力学不稳定体系，最终要破坏。乳液的破坏油分层变形和破乳三种方式。
乳状液的分层是指分散相和分散介质的密度不同，在重力或其他外力的作用下，分散相液滴上升或下降的现象。变型是指乳状液从一种类型转变为另一种类型。所谓的破乳是指乳状液完全被破坏，发生油水分层的现象。破乳在原油开采上具有十分重要的意义。
能够使乳状液破乳的表面活性剂被称为破乳剂，使用破乳剂是重要的破乳方法之一，其基本原理可以从以下几个方面说明。
（1） 顶替作用由于破乳剂本身具有较低的表面张力有很好的表面活性很容易被吸附于油一水界面上将原来的乳化剂从界面上顶替下来，而破乳剂分子又不能形成结实的界面膜，因此在加热或有机械搅拌下界面膜易被破坏而破乳。
（2） 湿润作用对于以固体粉末稳定的乳状液可加入润湿性能好的润湿剂，改变固体粉末的亲水亲油性，使固体粉末从界面上脱附进入水相或进入油相而使乳状液破坏。
（3） 絮凝-聚结作用由于非离子型破乳剂具有较大的相对分子质量，因此，在加热和搅拌下相对分子质量较大的破乳剂分散在乳状液中，会引起细小的液珠絮凝，使分散相的液珠集合成松散的团粒。在团粒内各细小液珠依然存在。这种絮凝过程是可逆的。随后的聚结过程是将这些松散的团粒不可逆地集合成大液滴，导致液滴数目减少。当液滴长大到一定直径后，因油水相对密度的差异，水与油即相互分离。
（4） 破坏界面膜在加热或搅拌条件下，破乳剂可能吸附于两相界面上，使界面膜发生褶皱和变形，也可能因碰撞将界面膜击破，是乳状液稳定性大大降低，发生絮凝。
在金属加工中的应用在金属切削加工中，刀具切削金属时会发生变形，同时刀具与工件之间不断摩擦而产生的切削力及切削温度会严重影响刀具的寿命、切削效率及工作质量。使用合适的金属切削液可以起到降低切削温度的冷却作用、减少切削力的润湿作用和去除切屑的清洗作用。在切削液中加入油溶性缓蚀剂还可对工件起防锈用，如石油磺酸钡、十八胺等都是常用的缓蚀剂。切削液的种类很多，其中应用最广的是0/w型乳状液。其组成成分主要有矿物油、表面活性剂、防锈剂、防蚀剂和其他添加剂。其中表面活性剂主要起乳化剂作用，常用的是阴离子型和非离子型表面活性剂，阴离子表面活性剂如脂肪酸钠、硫化油、硫酸酯、环烷酸钠和石油磺酸盐等，非离子表面活性剂如烷基酚聚氧乙烯醚。
例如，护肤乳液(亦称液态膏霜)涂于皮肤上能铺展成一层薄而均匀的油脂膜，不仅能滋润皮肤，还能起到保持皮肤水分、防止水分蒸发的作用，是颇受消费者喜爱的一类化妆品。
在原油开采中的应用表面活性剂在石油开采中的应用十分广泛，在开发、钻采、集输等各个环节起着至关重要的作用，如堵水、破乳、发泡和降凝降黏等。
例如乳化钻井液是钻井中必须使用的，有O/W型和W/O型两类。钻井液的功能包括从井中清除岩屑、清洁井底、控制地下压力、冷却与润滑钻头和钻杆以及防止地层坍塌等。在钻井液中常用的表面活性剂如木质素磺酸盐、羧酸盐、环烷酸钠及多元醇烷基醚等。
破乳在原油开采中也有重要应用。一次采油和二次采油采出的原油多是W/O型乳状液，而三次采油获得的主要是O/W型乳状液。原油中含水会增加泵、输油管线和储油罐的负荷引起金属表面的腐蚀和结垢，增加原油的黏度，使集输能耗增大。因此原油外输前要进行破乳脱水，使用破乳剂是最主要的破乳方法。早期的破乳剂以羧酸盐、硫酸酯盐和磺酸盐等三类低分子阴离子表面活性剂为主，价格便宜，但用量大(1000mg/L)、效果差、易受电解质影响。低分子非离子表面活性剂是第二代W/O型乳化原油的破乳剂，它们耐酸、耐碱，受电解质影响很小，但用量仍然很大(300?500mg/L)，破乳效果也不十分理想。20世纪60年代以后开发了高分子型非离子表面活性剂，主要是聚氧乙烯i聚氧丙烯醚嵌段共聚物。这类破乳剂用量很少(5?50mg/L)，破乳效果好，但专一性较强。为了进一步提高破乳效果和原油脱水效率，目前复配型破乳剂在油田中得到广泛的应用。3.1湿润功能
湿润作用是指在固体或液体表面用一种流体置换另一种流体的现象。例如在镜面或金属平面上用水或油把表面层的空气置换出来的现象。实际上是由于两相(水和镜面)在接触时体系界面自由能降低产生的现象。其界面自由能降低的大小表示湿润程度的大小。在研究固一液界面的湿润现象时就会发现不同的湿润情况。如图所示，湿润情况顺序为(a)(b)(c)(d)。湿润程度可以用接触角臼表示，也可以称为湿润角。当固液接触后，体系界面的自由能降低值为：
而湿润角的大小就决定于r固、r液、），固液三者之间的关系（如图）。当固液间达到某一平衡状态时，其表面能应满足下列关系：
由上式可定量地表示湿润角口与界面自由能的关系，亦可以用臼的大小表示湿润程度。
能被液体湿润的固体，称为亲液性固体；不被液体所湿润的固体，称为憎液性固体。最常见的液体是水，极性固体皆为亲水性，非极性固体皆为憎水性。
表面活性剂具有双亲分子结构，能够在节目发生定向吸附，降低液体的表面张力，因此常被用来改变体系的湿润性质，以满足实际应用需要。表面活性剂的湿润作用具体表现在两个方面。
（1） 在固体表面发生定向吸附表面活性剂以极性基团朝向固体，非极性基团朝向气体吸附于固体表面，形成定向排列的吸附层，使自由能较高的固体表面被碳氢链覆盖而转化为低能表面，达到湿润功能的目的。
（2） 提高液体的湿润能力水在低能固体表面不能被铺展，为改善体系的湿润性质，常在水中胶乳表面活性剂，降低水的表面张力rLG，使其能湿润固体的表面。
吸附在被洗物体表面的污垢粒子（如尘埃、煤烟、油脂等）大都是不能被水润湿的疏水性物质，要将污垢从被洗涤物如纤维表面或孑L隙之间分离开，首先必须使洗涤液对于疏水性物质表面有良好的润湿能力。在水中加表面活性剂问的缝隙中，并在它们的表面上形成一个亲水的吸附层，使界面张力降低，削弱了污垢与织物或污垢粒子间的黏附力，有利于污垢从织物表面上脱离下来。脱离下来的污垢粒子表面也吸附了表面活性剂分子，形成亲水外层。此外表面活性剂还有分散、增溶等能力，借助于搓揉、摩擦、摇荡等机械作用，将污垢转移到溶液中而除去。图是洗涤去污过程示意图。其中（a）表示加洗涤剂去油污的过程。洗涤剂降低了固一油一水三相边界的接触角，若e=0°，则油会自动地从固体表面上除去；若0°e90°。，油可以借助机械方法，再加上洗涤剂的分散作用、增溶作用等而除去，如图（b）。
矿物浮选许多金属，如铜、钼等在矿脉中含量很低，在冶炼之前，要设法提高矿苗中金属的含量，常采用的是浮选法。
浮选过程大致是：将粉碎的原矿(0.01?0.1mm)倾入水池中，由于矿原酸盐(ROCSSNa)、硫代磷酸盐等，被硫化矿物(Mo、Cu等矿脉中常为硫化物)吸附，使得矿物表面成为疏水性的(即接触角护增加)，通入空气后，矿粉则附在气泡上并和气泡一起浮出水面并被收集。而不含硫化物的矿渣仍留在池底，因此将有用矿物与无用的矿渣分开。若矿粉中含有多种金属，则可选用不同的捕集剂和其他助剂使各种矿物先后浮起而分别捕获。
捕集剂的作用是改变矿粉的表面性质，其极性端吸附在矿物表面上，非极性端向着水，于是矿粉表面由亲水性的变为亲油性的，当不断加入捕集剂时，固表面上生成一个亲油性很强的薄膜。不过，捕集剂不宜加得太多，达饱和吸附即可，加过多后，可能形成吸附双层，使亲油表面又转为亲水性的。
浮选剂中除加有捕集剂外，还必须有起泡剂，另外还有其他助剂，如pH调节剂、抑制剂、活化剂等。对起泡剂的要求是：有很好的起
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