Hdbm nl tdt 2014 chuong 3 hoa hoc chat hdbm

CƠNG NGHỆ
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
Chương 3: Tính chất các chất hoạt động bề
mặt

PGS. TS. Lê Thị Hồng Nhan
Đại học Bách Khoa TP.HCM
2014
1


TỔNG QUÁT

Bao gồm các phần:
•Chất hoạt động bề mặt anion
•Chất hoạt động bề mặt cation
•Chất hoạt động bề mặt khơng ion
•Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

2


CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ANION

•Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid carboxylic
•Chất hoạt động bề mặt sulfate
•Chất hoạt động bề mặt sulfonate

3

Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phòng
Xà phòng = acid béo tác dụng với chất kiềm (RCOOX).
Phản ứng xà phịng hóa dầu mỡ của động thực vật => xà phòng

Nguyên liệu
*Dầu mỡ động thực vật: ester của ancol 3 chức là glycerin và các acid béo khác
nhau=> glyceride.

CH2 OCOR1
CH OCOR2

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

CH2 OCOR3
4


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phòng

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

5


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phòng

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 phịng.
+

H

CH2 OCOR1
+

CH OCOR2

3 H2O

RCOOH

CH OH
OH-

CH2 OCOR3

+

NaOH

CH2 OH
CH2 OH

RCOONa

R1COOH
+

R2COOH
R3COOH

+ H2O

Tác nhân kiềm:
NaOH: thường dùng
KOH: điều chế các dạng xà phịng mềm, trong.
Sodium carbonate: khơng thể xà phịng hóa glyceride, nhưng trong một giới hạn,
có thể xà phịng hóa các acid béo.
6


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phòng

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 => thơng dụng

•Phương pháp không gia nhiệt: dầu mỡ + NaOH -> khuôn sắt, 30oC
•Phương pháp nấu xà phịng gia nhiệt: dầu mỡ + NaOH-> thiết bị khuấy, 8085oC
•Phương pháp nấu xà phịng liên tục: dầu + NaOH, NaCl 20% -> nồi cao áp

7


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phòng

Tách lớp xà phòng:
Sau phản ứng, dung dịch muối ăn
được dùng để rửa, tách glycerin ra khỏi xà phịng.
Xà phịng khơng tan trong nước
muối bão hòa, do cân bằng chuyển sang chiều nghịch -> glycerin lại tan trong nước
muối -> tách lớp -> loại ra.
Loại muối khỏi xà phịng:
Xà phịng thơ được pha trộn với
NaOH loãng (hay soda), đun nhẹ. Muối tan vào dung dịch, sau đó làm lạnh, xà
phịng kết tinh, tạo lớp mịn nổi lên trên. Xà phòng được tách ra để thu. Tinh chế
nhiều lần để thu xà phòng sạch.

8


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Xà phịng

*Tính chất của một số loại xà phịng :
• Độ dài của dây và độ không no của acid béo => tính hoạt động bề mặt, độ hịa tan

của xà phịng
• 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 hịa tan kém
• Acid béo mạch no/khơng no => nhiệt độ nóng chảy cao hơn, nên tạo xà phịng có
độ cứng cao hơn
• Xà phịng có nối đơi/khơng có nối đơi => dễ bị oxi hóa, tạo màu, mùi khơng mong
muốn và hoạt tính tẩy rửa kém hơn

9


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- Tự nhiên khác

Các chất hoạt động bề mặt từ acid carboxylic thiên nhiên khác
•

Acid carboxylic từ nhựa thực vật (colophan)

•

Acid napthenic

10


Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid
carboxylic- từ tổng hợp

Paraffin rắn -> oxi hóa -> acid béo tổng hợp với mạch C thẳng

. -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.

11


Chất hoạt động bề mặt sulfate

•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, ester, ether……
•Nhóm sulfate là nhóm phân cực duy nhất hay chính trong phần ái nước

12


Chất hoạt động bề mặt sulfate

Alkyl sulfate: chất hoạt động bề mặt 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 hoạt động bề mặt của alkyl sulfate bậc II: giảm khi nhóm sulfate di
chuyển vào giữa mạch.
Ví dụ: pentadecyl sulfate: C15H31OSO2ONa bậc 2, khi nhóm sulfate di
chuyển từ C2 vào C6 thì khả năng tẩy rửa của chúng chỉ cịn một nửa.
Tính họat động bề mặt: giảm khi gốc alkyl phân nhánh Khả năng phân hủy
sinh học của alkyl sulfate: giảm khi gốc alkyl phân nhánh

13


Chất hoạt động bề mặt sulfonate

Chất họat động bề mặt sulfonate:
• Chứa nhóm sulfonate (-SO 3 - ) trong phần ái nước
• Nhóm sulfonate là nhóm phân chức duy nhất hay chính 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….
• Q trình sulfo hóa -> các acid sulfonic hay dẫn xuất của nó có nguyên tử lưu
hùynh liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon.
Các loại cần quan tâm:
• Chất hoạt động bề mặt alkyl aren sulfonate
• Chất hoạt động bề mặt alken sulfonate
• Chất hoạt động bề mặt alkan sulfonate

14


Chất hoạt động bề mặt sulfonatealkyl aren sulfonate

Phổ biến:
• Kỵ nước: gốc alkyl thường có C trên dưới 12 + vịng benzene
• Ái nước: là nhóm sulfonate – SO 3-

CH3
H3C

C

CH3

CH3

CH2 C

CH2 C

CH3

CH3

CH3

SO3H
DBSA (dodecyl benzene sulfonic acid)

15


Chất hoạt động bề mặt sulfonatealkyl aren sulfonate

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

16


Chất hoạt động bề mặt sulfonatealkyl aren sulfonate

Một số ứng dụng:

•
•
•
•

sản phẩm tẩy rửa
chất tạo bọt trong chữa cháy
ngành xi mạ
lý bề mặt kim lọai

17


CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION

Chất họat động bề mặt cation -> hịa tan vào nước ->

•cation có tính họat động bề mặt
•ion âm khơng có tính hoạt động bề mặt
•Xà phịng đảo ngược
•Khơng có khả năng tẩy rửa
•Hấp phụ mạnh lên xơ sợi hoặc vải, len, bề mặt...

18


CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION

•Chất hoạt động bề mặt cation chủ yếu dựa vào nguyên tử N hay S.
•N thường nằm dạng amin hay vịng.
•Những chất họat động bề mặt quan trọng: amin mạch dài bậc 1, bậc 2, bậc 3 và
muối amoni bậc 4
•Khác biệt quan trọng của amin và muối amoni: độ tan.
•Các amine bậc 1, bậc 2, bậc 3 mạch dài: không tan trong nước hay các
dung dịch kiềm mà chỉ tan trong các dung dịch acid có pH đủ thấp để proton
hóa nhóm amin.
•Muối amoni bậc 4 có thể tan trong các dung dịch kiềm, trung tính hay acid.

19


CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION
Đặc điểm
Nhóm kỵ nước

Cơ chế hình thành
ion xảy ra

Các ion ảnh hưởng
đến tính chất của
chất HĐBM (độ tan)

Anion

Cation

Acid béo mạch dài,
Tương tự
ancol mạch dài,
paraffin thẳng mạch
dài
Tại các nhóm
Tại nguyên tử N hay
carboxylic, sulfate,
nhóm chứa N
sulfonic
Na+, K+, NH4+

Cl-, sulfate,
sulfonate, aryl
sulfonate
20


Một số ứng dụng
Sự thay đổi của sợi sau khi giặt
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
21


Một số ứng dụng
Chất làm mềm vải sợi

Tác động của chất làm mềm lên bề mặt vải sợi

Chỉ được dùng sau khi giặt, khơng cho đồng thời vì sẽ tạo với anion thành các
muối khó tan.
Hiệu quả:
-Chống thơ cứng
-Vải vóc trơn bóng, dễ ủi
-Hạn chế tĩnh điện
22


Một số ứng dụng
Chất làm mềm vải sợi

Điển hình là DSDMAC (DiStearyl Dimethyl Amoni Chlorua) hay
DHTDMAC (Dihydroenated Tallow Dimethyl Amoni Chlorua)
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.
+

R COO CH

N

CH3

CH3
R COO CH2

CH3

R COO CH2

CH2
N

R COO CH2

CH2

+

+

Cl

CH3
CH3SO4

-

CH3
23


Một số ứng dụng
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 hoạt động bề mặt dạng cation có tính diệt khuẩn.
•
Ví dụ: alkyl pyridynium halogenua, alkyl trimethyl amonium chloride (gốc
alkyl là C16H33-)
•
Dùng để tẩy trùng quần áo, vải vóc, tiệt trùng chén bát, ly tách, dụng cụ
y khoa,...

24


CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT LƯỠNG TÍNH

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 hoạt động bề mặt lưỡng tính làm 2 loại:
+Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính acid carboxylic
+ Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính sulfate/sulfonate

25