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乳化剂的类别和应用

2016/5/23 9:41:33点击:

什么是乳化剂:

    乳化剂是指能使两种互不相溶的液体混合时形成稳定的乳状液所需加入的第三种物质,其主要作用在于能降低两种不能相混合的体系间的界面张力。

乳化剂的作用机理:

     形成乳化液所使用的乳化剂绝大多数都是表面活性剂,由亲水基和疏水基两部分组成,它们能在相互排斥的油水界面形成分子薄膜从而降低其表面张力。如按活性基团的离子类型进行分类,这种表面活性剂可以分为非离子型、阳离子型、阴离子型、两性离子型。这四种类型的表面活性剂从结构上来讲有一个共同的基本特点,即它是一种两性物质。以阴离子表面活性剂脂肪酸钠为例,其一端是由碳氢长链等组成的非极性憎水基团溶于油中;另一端是极性亲水基团溶于水中。 
  在上述过程中,由于表面活性剂的存在使得非极性憎水型油滴变成了带负电荷的胶粒,并因此获得了更大的表面积具有了更大的表面能。由于极性和表面能的作用,带负电的油滴胶核吸附水中的反离子或极性水分子形成胶体双电层则进一步阻止了油滴问的相互碰撞,使油滴能长期稳定地存在于水中。 

乳化剂的分类:

      按照乳化剂亲水基性质的不同,乳化剂分为阴离子型、阳离子型、两性离子型、非离子乳化型以及复合离子型等。 
  1.阴离子乳化剂 
  此类乳化剂原料便宜易得,工艺简单,技术成熟,不必调节pH值就可直接使用,在乳化沥青的发展初期受到了重视。主要包括羧酸盐类、磺酸盐类、硫酸脂盐类、磷酸脂盐类等。 

      2.阳离子乳化剂 
  此类乳化剂发展较晚,但实践发现它与各种矿料有更好的粘附性,用量少等优点,得到了更广泛的应用。主要有烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、季铵盐类、环氧乙烷双胺、胺化木质素等。其中二烷基或三烷基胺类一般没有乳化性,含有C12~C22的单烷基胺类乳化剂效果较好,但是烷基单胺缺乏足够的乳化能力,所以现在常用有C12~C22 烷基、2~4个亚甲基的N-烷基聚亚甲基二胺盐类乳化剂。烷基丙烯二胺常由丙烯腈与伯胺加成还原得到,而卤代烷同乙二胺反应也是合成N-烷基乙二胺的最普通方法。同样,卤代烷与多亚甲基多胺(二亚甲基三胺、三亚甲基四胺等)反应,可以得到N-烷基多胺。实践证明,有C16~C20的脂肪烃基取代的乙撑或丙撑二胺是性能良好的阳离子乳化剂。 
  季铵盐类乳化剂是应用最为广泛的阳离子乳化剂。主要有烷基季铵盐(如1831、18331、1621等),杂环结构的季铵盐,通过酰胺、酯、醚等基团连接的季铵盐(如ArOC2H4OC2H4N + MeEtCl - )等。特别是含氯烷基季铵盐类,如烷基吡啶氯化物,用于稀浆封层中能减少快裂型沥青乳液的流失。连有C8~C22 链的芳基或环烷基季铵盐,可以减慢沥青的破乳,并有改善与石料、混凝土等粘附性的作用。尽管季铵盐类的乳化能力与二胺类相当,但与石料等基体结合破乳后形成的覆盖膜层较薄。 
  酰胺类乳化剂常由脂肪酸(酯)胺解得到,其单酰胺化合物是一类重要的表面活性剂,反应过程中通入CO2可防止二酰胺的生成。由脂肪酰胺的盐酸盐得到的乳液具有良好的贮存稳定性和对各种基体的粘附性能。脂肪酸的衍生物,特别是妥尔油与二乙烯三胺或四乙烯五胺的产物,是一种很有用的沥青乳化剂。另外,烷基酰胺多胺RCO-NH(C3H6NH)nC3H6NH2中含有多个亲水性胺基,所以能通过调节pH值,得到性能各异的沥青乳液。但是酰胺类乳化剂在水中有水解现象。酰胺类乳化剂经进一步加热脱水可以形成咪唑啉类阳离子乳化剂,它的无机酸盐也是很好的乳化剂。 

      3.两性离子乳化剂 

  它的分子结构与氨基酸相似,即分子中同时存在酸性基和碱性基,易形成“内盐”。主要有甜菜碱型、氨基酸型、咪唑啉型等,也有杂元素代替N、P 的,如S为阳离子基团活性中心的两性表面活性剂。其耐硬水、钙分散能力较强,与其他各类型的乳化剂有良好的配伍性,但价格较高。除甜菜碱型乳化剂外,表面活性剂的性质一般与溶液的pH值有关。 
  4.非离子乳化剂 

  非离子乳化剂大多是由环氧乙烷与带活泼氢的化合物(如酚、醇、羧酸、胺等)反应得到的,其活性不仅与疏水烷基有关,还与聚氧乙烯链的长短有关。它具有高表面活性、稳定性以及良好的乳化能力,与其它乳化剂及其助剂的配伍性较好,并对金属离子有一定的螯合作用。它的活性与溶液的pH值无关,在转相点(phase inversion temperature,PIT)形成的乳液最稳定。一般有C12 - 18的脂肪醇和C8 - 10的烷基酚的环氧乙烷加成物是优良的乳化剂,环氧数低于5~6的为油溶性的。常用的烷基酚聚氧乙烯醚的烃基一般含有C8~C20,氧化乙烯的含量在85%~99%左右,并且常与其它类型的乳化剂复合使用。 

乳化剂的应用:

 一千年以前人们对油水乳化现象就有所认知,直到近代工业兴起,乳化剂的应用才得到了进一步发展。工业加工技术日益成熟的今天,乳化剂在生活、生产中已无处不在,广泛地应用在食品、材料合成、养殖、日化等行业,并有着广阔的前景。 
  1.乳化剂在食品行业的应用 
  乳化剂食品行业中常用作食品添加剂。它一方面在原料混合、融合等加工过程中起乳化、分散、润滑和稳定作用,另一方面起着提高食品品质和稳定性的作用。乳化剂用于面包制造主要是维持面包松软的口感,防止淀粉老化,在此过程中乳化剂与淀粉的相互作用及效果受到淀粉类型和乳化剂链长、结构、晶型及水分、温度等因素的影响。乳化剂用于冷食品制造主要是提高产品的膨胀率,对其研究主要集中在提高浆料的乳化效果上,通常复合乳化剂乳化效果优于单一的乳化剂。乳化剂用于乳制品加工主要是制作人造奶油,在此过程中单一乳化剂较难满足晶体稳定性要求,采用复合乳化剂还能解决全牛油基人造奶油的起砂问题。 
  2.乳化剂在材料合成行业的应用 
  乳化剂在材料合成行业的应用主要是利用它进行乳液聚合合成涂料、粘合剂等产品。寻找性能稳定、价格低廉的高效乳液聚合剂是该行业乳化剂的研究发展方向。例如在粘合剂的合成中,聚丙烯酸酯粘合剂的广泛应用就是由于丙烯酸酯类乳液粘合剂的聚合必须在低分子量表面活性剂的条件下使聚合物分散在水中,从而造成了一部分游离乳化剂残留在聚合物中,降低了乳液粘合剂在基材表面的附着力。为了解决此问题并有效防止成膜后乳化剂的迁移,能够提高涂膜的耐水性和附着力的可聚合乳化剂得到了进一步研究。此外,在材料合成中,环保型反应性乳化剂作为传统乳化剂的替代品得到进一步应用,例如乳化剂SR-10不仅乳化能力强、环保性能优良、符合各种物性要求并具有较低的起泡性等优点 。 
  3.乳化剂在养殖行业的应用 
  乳化剂在养殖行业主要用于养殖饲料的改性。在畜禽水产养殖中,为了加快动物的生长速度、提高动物的生产性能、降低料肉比,在饲料中普遍使用乳化油脂。这样一来,消化高比例的油脂所需要的胆汁酸盐量超过了畜禽体内的分泌量,造成饲料不消化及脂肪在肝脏的积累。为此,选择适合的饲料乳化剂成为乳化剂在养殖行业应用中的关键。目前在畜禽水产养殖中使用较多的是离子型的胆汁酸盐类和卵磷脂类乳化剂,这类乳化剂主要功能是保肝利胆、调节肉质,但其乳化效果并不理想。而非离子型饲料乳化剂能取得更高的乳化性,如单硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯等。同时,能够加速油脂裂解的脂肪酸酶作为添加剂加入到饲料乳化剂中的应用也逐渐增多。 
  4.乳化剂在日化行业的应用 
  在日化行业中乳化剂被广泛应用在洗护产品及化妆品中。使用到的乳化剂包括天然表面活性剂和人工合成表面活性剂两种。前者来自动植物体,为较复杂的高分子有机物,通常具有较高的黏度,易于乳化稳定且无刺激、无毒副作用,如卵脂酸、胆甾醇、羊毛脂、茶皂素等。后者通常为固体颗粒乳化剂,在分散相液滴表面形成一层薄膜阻止液滴之间的聚集而制得稳定的油/水分散相,主要用作无化学乳化剂的抗过敏配方及防晒产品配方化妆品的添加剂。由于固体颗粒具有超细的粒径(小于200nm),因此具有很好的皮肤耐受性,相对于传统的表面活性剂而言刺激性大大降低。此外,由于固体颗粒乳化体系的稳定性不受油脂性质的影响,护肤产品可以更宽范围地选择油脂以制备出性能更佳、更稳定的产品。 
  5.乳化剂在其他行业的应用 
  在军事工业中乳化剂常被添加到炸药中制作乳化炸弹。通常由不溶于水的碳氢燃料作为连续相,以过饱和硝酸铵盐水溶液作为分散相,通过乳化剂的乳化作用,硝酸铵盐水溶液以极小的液滴分散在碳氢燃料中形成一种油包水特殊乳胶体系。由于乳化炸药是热力学高度不稳定体系和不可逆体系,乳化剂的作用在于大幅度降低油水界面张力,在界面形成界面膜使内相的硝酸铵液滴难以聚结,从而提高乳化炸药的稳定性。 
  在矿石浮选中乳化剂用于煤泥、金属矿、非金属矿的浮选中对浮选剂进行改进。由于在浮选过程中,浮选剂的乳化分散程度对其使用效率及浮选效果有着重要的影响,因此乳化剂的加入有助于提高浮选机的捕集性能,大大降低浮选剂的消耗量。将乳化剂添加到水、甲醇和柴油的混合体系中制得的微乳化柴油和普通柴油相比,具有更好的燃烧性能、更低的能耗、更少的污染。将具有一定乳化能力的生物柴油添加到石化柴油中不仅可以促进可再生能源行业的发展、降低排放、提高燃油的环保性能,还有利于燃油的乳化,提高燃烧率,降低能耗。