Hdbm nl tdt 2014 chuong 3 hoa hoc chat hdbm

CƠNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT Chương 3: Tính chất chất hoạt động bề mặt PGS TS Lê Thị Hồng Nhan Đại học Bách Khoa TP.HCM 2014 TỔNG QUÁT Bao gồm 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 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 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 động thực vật => xà phòng Nguyên liệu *Dầu mỡ động thực vật: ester ancol chức glycerin acid béo khác nhau=> glyceride CH2 OCOR1 CH OCOR2 Các R mạch carbon có số C từ 6-20, thường số chẵn mạch thẳng CH2 OCOR3 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 Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid carboxylic- Xà phòng Nguyên tắc thủy phân liên kết ester glyceride, đưa dạng acid tự trung hòa acid béo để xà phịng + H CH2 OCOR1 + CH OCOR2 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 dạng xà phòng mềm, Sodium carbonate: khơng thể xà phịng hóa glyceride, giới hạn, xà phịng hóa acid béo 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 đắt tiền, dễ thu glycerin điều chỉnh thành phần acid béo Cách 2: dầu mỡ -> xà phịng => lợi thiết bị, chi phí lượng => thơng dụng •Phương pháp khơng gia nhiệt: dầu mỡ + NaOH -> khn sắt, 30oC •Phương pháp nấu xà phòng gia nhiệt: dầu mỡ + NaOH-> thiết bị khuấy, 8085oC •Phương pháp nấu xà phịng liên tục: dầu + NaOH, NaCl 20% -> nồi cao áp Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid carboxylic- Xà phòng Tách lớp xà phòng: Sau phản ứng, dung dịch muối ăn dùng để rửa, tách glycerin khỏi xà phịng Xà phịng khơng tan nước muối bão hòa, cân chuyển sang chiều nghịch -> glycerin lại tan nước muối -> tách lớp -> loại Loại muối khỏi xà phịng: Xà phịng thơ pha trộn với NaOH loãng (hay soda), đun nhẹ Muối tan vào dung dịch, sau làm lạnh, xà phịng kết tinh, tạo lớp mịn lên Xà phòng tách để thu Tinh chế nhiều lần để thu xà phòng Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid carboxylic- Xà phịng *Tính chất số loại xà phịng : • Độ dài dây độ khơng no acid béo => tính hoạt động bề mặt, độ hịa tan xà phịng • Acid béo mạch ngắn => dễ hòa tan, tạo bọt tốt bọt bền, tính tẩy rửa • Acid béo mạch dài => tính tẩy rửa tốt, bọt bền lại có độ hịa tan • Acid béo mạch no/khơng no => nhiệt độ nóng chảy cao hơn, nên tạo xà phịng có độ cứng cao • Xà phịng có nối đơi/khơng có nối đơi => dễ bị oxi hóa, tạo màu, mùi khơng mong muốn hoạt tính tẩy rửa 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 CATION Chất họat động bề mặt cation -> hòa 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 tẩy rửa •Hấp phụ mạnh lên xơ sợi 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 muối amoni bậc •Khác biệt quan trọng amin muối amoni: độ tan •Các amine bậc 1, bậc 2, bậc mạch dài: không tan nước hay dung dịch kiềm mà tan dung dịch acid có pH đủ thấp để proton hóa nhóm amin •Muối amoni bậc tan 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 Các ion ảnh hưởng đến tính chất chất HĐBM (độ tan) Anion Cation Acid béo mạch dài, Tương tự ancol mạch dài, paraffin thẳng mạch dài Tại 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 sợi sau giặt Chất làm mềm vải sợi Các sợi nhỏ tạo yếu điểm: -Tạo vẻ thô cứng -Nơi giữ, tàng trữ chất kết tủa, hạt bẩn -> làm xám quần áo -Ngăn cản dung dịch tẩy rửa thấm vào -> giảm hiệu giặt giũ -Thay đổi độ phân tán ánh sáng -> vải mờ 21 Một số ứng dụng Chất làm mềm vải sợi Tác động chất làm mềm lên bề mặt vải sợi Chỉ dùng sau giặt, không cho đồng thời tạo với anion thành 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 DSDMAC (DiStearyl Dimethyl Amoni Chlorua) hay DHTDMAC (Dihydroenated Tallow Dimethyl Amoni Chlorua) DSDMAC DHTDMAC thay ester amoni lần > dễ phân hủy sinh học hơn, độc hại cho sinh vật sống 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 sợi > vải vóc mềm mại Tẩy trùng, diệt khuẩn • Bản thân số chất hoạt động bề mặt dạng cation có tính diệt khuẩn • Ví dụ: alkyl pyridynium halogenua, alkyl trimethyl amonium chloride (gốc alkyl 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 pH thấp anion 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 loại: +Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính acid carboxylic + Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính sulfate/sulfonate 25 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính acid carboxylic RNH  ClCH 2COOH  RNHCH 2COOH  HCl ClCH2COOH RNHCH2COOH - HCl RN CH2COOH CH2COOH CH2COOH ClCH2COOH + R N HCl - CH2COOH CH2COO(-) Các chất tác nhân thấm ướt tẩy giặt tốt môi trường acid lẫn môi trường kiềm 26 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính sulfate/sulfonate sulfate hóa amin mạch dài có chứa liên kết đơi hay nhóm O phần kỵ nước H2SO4 CH3(CH2)7-CH=CH-(CH2)7CH2NH2 CH3(CH2)7CH2 CH CH(CH2)7-CH2-NH2 OSO3H (1-amino, 9,10-octadecene) hay CH3(CH2)7CH2 CH CH(CH2)7-CH2-NH2 OH H2SO4 CH3(CH2)7CH2 CH CH(CH2)7-CH2-NH2 OSO3H 9- hydroxy octadecyl amine 27 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính sulfate/sulfonate điều chế trực tiếp từ hoạt động bề mặt sulfonic RNH2 + ClCH2CH2SO3H RNHCH2CH2SO3H CH2CH2SO3H R NH CH2CH2SO3H CH2CH2SO3H + R N CH2CH2SO3H Đặc điểm sản phẩm: +Tính tẩy rửa tốt +Tạo bọt +Khơng hại da, khơng làm rát da +Ít độc hại Do vậy, chúng thường dùng dầu gội đầu (đặc biệt cho em bé), sữa tắm,… CH2CH2SO3H 28 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT KHƠNG ION •phần nước khơng ion hóa hịa tan vào nước phân cực •Phần nước đủ lớn chất họat động bề mặt tương ứng tan nước •Mối tương quan phần nước phần kỵ nước thay đổi giới hạn rộng (khi chiều dài phần kỵ nước không đổi) cách thay đổi kích thước phần nước 29 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT KHƠNG ION •Phần nước chứa liên kết polyether nhóm hydroxyl: ethylene oxide, propylene oxide, polyglycol, diethethanolamine, sorbitol… •Phần kỵ nước tạo thành từ hợp chất mạch dài có chứa nguyên tử H linh động alkyl phenol, rượu, amine, mercaptan, acid béo, amide mạch dài… 30 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG ION Các chất họat động bề mặt khơng ion: •khả tẩy rửa tương đối cao (kém so với anion sulfate, sulfonate tương ứng) •Khả tẩy rửa phụ thuộc vào chiều dài nhóm kỵ nước chiều dài nhóm (-C2H4O-)n •Các chất họat động bề mặt khơng ion tạo bọt chất họat động bề mặt ion 31 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG ION Dùng dầu gội đầu loại mỹ phẩm khác Dầu gội đầu phải đáp ứng yêu cầu sau: •Có khả tạo bọt tốt, gội đầu phải cho nhiều bọt, bọt mịn, bền (bột giặt bọt phải to) • Dễ lan rộng lên tóc da đầu •Có hiệu làm tốt •Dễ rũ sau gội •Tóc sau gội phải mềm mại dễ chải, khơng bị rối •Khơng gây kích thích da mắt Để đáp ứng yêu cầu -> phải dùng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt phối 32 hợp với phụ gia khác