化学制品

化学工业是包括将诸如石油、天然气、空气、水、金属和矿物等原材料转化为成千上万种不同产品的行业。

化学工业是发达国家最大的制造业之一。化学工业主要生产化学品如聚合物、石化产品和基本无机化学品这些作为上游原材料产品，供给其他公司使用。

纳米级的表面相互作用和反应分析

化学物质和其混合物占据了我们生活的各个方面，它们无处不在。在某些情况下，它们在特定环境及与某些表面相遇时的行为可以是相关和感兴趣的，因为这可能会影响化学行为偏离预期。例如，以我们日常生活中常见的化学物质表面活性剂和聚合物为例，表面活性剂被广泛用于洗涤剂和其他清洁剂，原油开采和药物合成等。了解表面活性剂和乳液的稳定性对于确保产品质量尤为重要。

聚合物的用途比其他任何材料都多，比如粘合剂、涂料、泡沫、食品、化妆品、衣服等。

所有这些领域都以某种方式与界面科学相关。这意味着对界面行为和特性的了解对最终用户的分子设计和控制非常重要。

充分了解你的表面-分子相互作用

QSense QCM-D是一款用于表界面相互作用分析的实时评估的仪器，可帮助您全面了解表界面分子间的相互作用，表征固液界面处的现象和相互作用，如吸附动力学，吸附层厚度，形貌变化和分子-表面相互作用的稳定性。

[表面清洁| 表面活性剂]

您在表征表面活性剂吗？

作为清洁产品的关键组分之一，表面活性剂在提高清洁配方性能方面备受关注。有几个性能方面可用于表征、评价和强化最终配方的性能，使其到达最佳状态，以帮助提高如发泡，待清洁表面的润湿、乳化污垢和保持污垢分散在溶液中以防止表面再沉积等关键特性。在界面的具有表面活性物质的动力学对于表征和评价至关重要。根据所需性能和特定条件进行设计、调整和优化时，充分了解单一表面活性剂、表面活性剂组合或更为复杂的洗涤剂配方如何在实时和纳米尺度上发挥作用非常重要。表面活性剂和特定污渍之间的相互作用以及作为浓度、水质和温度等关键参数函数的去除效率都与提高产品的活性、效率和成本效益有关。

采用润湿性评价表面活性剂的效率

洗涤剂的效率与它们润湿待清洁表面的能力有关，无论是光滑、坚硬的玻璃表面或是柔软多孔的纺织品。 为了润湿表面，需要铺展液体。 要将洗涤剂溶液铺展到固体基材上取决于洗涤剂溶液的表面张力以及溶液和固体表面之间的接触角。洗涤剂溶液的表面张力受添加表面活性剂的影响，可以通过使用光学或力学表面张力仪来测量。 可通过测量临界胶束浓度(CMC)来优化表面活性剂的用量。

洗涤剂溶液铺展后，必定发生污渍的乳化， 表面活性剂在该过程中起主要作用。 表面活性剂还有助于将收集到的污垢分散在溶液中，防止其在表面发生再沉积。

优化洗涤剂溶液中表面活性剂的用量

优化用于清洁溶液的表面活性剂的用量是很重要的，因为过量使用表面活性剂同时既有经济效益，又影响环境。 临界胶束浓度（CMC）是常用于表面活性剂浓度优化的一个重要参数。 由于去污力受单分子表面活性剂的影响，实际上不受胶束存在的影响，所以CMC点可以作为所需表面活性剂用量的指标。 Sigma 700/701结合自动分配器可以完成全自动CMC测量。因为测量是自动运行的，无需人工交互，可减少了所需的劳动时间。

Adapted with permission from J. Chem. Educ. 83 (2006) 1147. Copyright ©2014 American Chemical Society

表面活性剂界面动力学探索

采用QSense® QCM-D技术，根据需要，有几种方法可以探索、表征和优化表面活性剂行为和性能。可以表征单一表面活性剂、表面活性剂组合或是完整配方。 QSense® QCM-D技术除了提供描述特定表面活性剂、多表面活性剂溶液或完整配方如何与特定材料或污渍相互作用以及可用于评价去除效率的清洗概况之外，还可以高精度地探索表面-污渍相互作用动力学随温度和表面活性剂浓度等关键参数的变化。 通常还可以监测和表征表面活性剂/表面界面动力学和行为，并提取如吸附动力学和吸附表面活性剂层的形态变化。

[表面活性剂和乳液| 表面活性剂]

几乎所有的工业产品都会用到表面活性剂，从清洁剂到油漆，化妆品到食品。 表面活性剂根据它们所应用的系统可以作为清洁剂，润湿剂，乳化剂，发泡剂和分散剂。天然存在的表面活性剂也可能导致不必要的产品性能。表面活性剂的表征对于确保产品和工艺的最佳性能至关重要。

表面活性剂通常是两亲的有机化合物，这意味着它们同时含有亲水性（水溶性）和疏水性（水不溶性）部分。 由于它们的两亲性质，表面活性剂吸附在界面上，从而降低了两相之间的表面和界面张力。

在许多工业过程中，可添加表面活性剂以改善产品的性能。 例如，表面活性剂用于清洁剂以提高清洁产品的效率，也可以作为食品产品中的油漆或乳化剂中的润湿剂。表面活性剂的另一个方面是作为表面活性剂的天然化合物。这些包括在重质原油中发现的沥青质，可能会在原油生产中引起各种问题。

表面活性剂在气-液或液-液界面的吸附

通过测量其降低表面或界面张力和稳定乳液的能力以及通过研究其亲水-亲油平衡（HLB）来测定表面活性剂的效率。

通过测量表面和界面张力与浓度的关系函数，可以确定给定表面活性剂或表面活性剂混合物能够产生的表面张力或界面张力下降的最大值。 从经济角度来看这也是重要的，因为使用的表面活性剂的量对产品的成本有直接影响。就表面活性剂浓度和表面活性剂的毒性而言，也需要考虑环境因素。 临界胶束浓度测量通常用于确定制剂中表面活性剂的最佳量。

[下载表面和界面张力—它是什么以及如何测量它？]

表面活性剂在固体表面吸附

了解表面活性剂在固体表面的吸附，例如在油漆制造、水过滤或原油生产等过程中非常重要。 以涂料为例，这是一种复杂的水基混合物，包括颜料颗粒、聚合物和表面活性剂等不同组分。 颜料颗粒是赋予涂料所需的颜色，聚合物增加粘度和表面活性剂，以增加涂料的稳定性和润湿性。 如果在颜料表面上优先吸附聚合物而不是表面活性剂，则会出现问题。 这会导致干膜的颜色外观和粘合性能下降。

原油生产中沥青质的吸附造成的问题

由于许多最近发现的储量中含有沥青质（油砂，重油），沥青质引起的兴趣越来越大。 沥青质是原油的高分子量组分，其确切的分子结构未知，通常被归类为不溶于烷烃，如正戊烷和正庚烷，但可溶于甲苯。  沥青质倾向于吸附在界面上，从而增加油水乳液的稳定性（与乳液稳定性相关）并改变油藏的润湿行为。原油加工过程中沥青质的吸附也会造成管道污染等问题。

为了了解沥青质沉积的机理，需要对沥青质 - 固体相互作用有基本的了解。 QSense QCM-D可用于表征不同溶剂条件下各种表面上的沥青质吸附和污染。

沥青质的沉淀和沉积会导致储层岩石的润湿性改变和渗透率降低，从而导致采油率下降。 通过接触角测量可以研究油、流体和岩石之间的润湿性和界面张力测量。接触角测量也可以在的高压和高温下模拟油藏条件进行。

固液界面表面活性剂吸附动力学表征

正如我们所看到的，在固液界面上表面活性剂和它们的行为是许多领域的核心，从生物学应用到去污和清洁到提高石油采收率。 QSense QCM-D技术能够根据界面上的动力学和行为对表面活性剂、表面活性剂体系以及表面活性剂混合物进行表征。利用这种表面敏感技术，可以研究表面活性剂对不同表面的吸附和解吸动力学，并实时监测吸附动态。表面可以容易地变化，这使得规划出表面材料、表面官能度和亲水性或疏水性的影响成为可能。还可以确定吸附表面活性剂的层厚度，并根据各种表面活性剂浓度、pH值、盐浓度和温度来追踪吸附膜的形态变化。该技术还能够探索和表征表面活性剂与例如脂质囊泡或聚合物和聚电解质层之间的相互作用。

[表面活性剂和乳液|乳液稳定性]

乳液是两种或两种以上液体的混合物，它们通常是互不相容的。从热力学的观点来看，乳液是一个不稳定的体系，因为液-液系统有分离和降低它的界面能的自然趋势。

乳液的稳定性可以被定义为体系抵抗其物理化学性质随时间变化的能力。乳液的稳定性在许多工业应用中非常重要，包括涂料、食品、农业配方，个人护理和石油。乳化、絮凝和聚集等几种机制会导致破乳。

虽然乳液稳定性在大多数工业产品和工艺中是必需的，但也有一些加工过程不需要乳液的稳定性。例如，原油回收需要在运输前将原油从水中分离出来，或者废水处理也不需要油水乳状液。

界面流变学测试预测乳状液的稳定性

界面流变学是一个特殊的流变学分支，它涉及研究在界面上形成的特别的二维体系。正如流变学是研究流体流动，界面流变学是研究流体界面流动特性。

食品和饮料中的界面流变学

蛋白质可以作为食品中的表面活性剂，但也可以添加其他稳定剂以提高稳定性。卵磷脂是为数不多的天然表面活性剂之一。随着环境和健康问题受到关注，天然表面活性剂越来越引起人们的兴趣。

应用文摘下载：蛋白质在气液和油水界面上的吸附和界面凝胶化

应用文摘下载：在气液界面上单分子层的界面流变学

观看网络研讨会：界面流变学：从基础到应用

工业级非离子乳化剂的表面表征

聚氧乙烯表面活性剂被广泛用于工业应用，如涂料、食品、农业配方、个人护理和石油，其中乳液和泡沫稳定性是重要的。 醇乙氧基化物正在取代传统上在许多应用中作为乳化剂的更有毒的烷基酚乙氧基化物。 然而，直链醇乙氧基化物没有表现出与烷基酚乙氧基化物一样良好的乳化剂性能，这主要是由于后者有更庞大的尾部。 这是由于极性头和碳氢化合物尾的大小不同，阻碍了界面上紧密堆积的薄膜的形成。

已经研究了两种基于EO基团数量不同的C10-Guerbet醇工业级非离子表面活性剂的吸附和表面流变性质。，它们是C10EO6和C10EO14。

两种表面活性剂的表面压力等温线符合重新取向模型。 但是，表面流变学数据有不同的解释。 它表明，C10EO6可以在扩散弛豫过程的模型框架中解释，而C10EO14偏离扩散弛豫过程，其表面流变反应接近于非离子聚合物表面活性剂。 图1（C10EO6）和图2（C10EO14）显示了两种表面活性剂在两个频率（0.02 Hz和0.5 Hz）下振荡扰动得到的储能模量（E'）和损耗模量（E“）。 实线和虚线是从扩散模型获得的适合实验数据。 结果表明，只有C10EO6表面活性剂的实验数据与所提出的模型有良好的一致性。

图1. C10EO6表面活性剂在两个频率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下储存模量（E'，空心符号）和损失模量（E“，实心符号）与表面活性剂本体浓度的关系函数。 实线和虚线是扩散模型实验数据的最佳拟合曲线。

图2. C10EO14表面活性剂在两个频率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下的储存模量（E'，空心符号）和损耗模量（E“，实心符号）与表面活性剂本体浓度的关系函数。 实线和虚线是扩散模型实验数据的最佳拟合曲线。

两种表面活性剂的表面流变性质表明它们在空气/水界面处形成了粘弹性层，然而由于氧乙烯基团的数量不同，吸附膜表现出不同行为。对于较小的表面活性剂，吸附和流变数据符合扩散模型，而较大的C10EO14表面活性剂表现出更接近于聚合物表面活性剂的表面行为。而且，两种表面活性剂的膨胀弹性和粘度的比较表明通过增加EO基团的数量可增加弹性。吸附的表面活性剂膜的弹性与泡沫和乳液稳定性直接相关。因此，与较短的C10EO6表面活性剂相比，C10EO14表面活性剂可能形成更稳定的抗聚结层。尽管如此，由于前者表面活性剂的扩散性较高，因此使用C10EO6比C10EO14泡沫形成能力更强。因此，这些结果可能会发现有趣的应用，以便通过使用含有氧乙烯基团的非离子表面活性剂合理地开发稳定的泡沫和乳液。

文献依据: P. Ramírez, L.M. Pérez-Mosqueda, L.A. Trujillo-Cayado, M. Ruiz, J. Munoz, R.Miller, Equilibrium and surface rheology of two polyoxyethylene surfactants (CiEOj) differing in the number of oxyethylene groups, Colloids Surf., A 375(2011) 130–135.

沥青质稳定油 - 水乳液

当油被回收时，形成了复杂的油-水乳液。 在油-水界面吸附的沥青质倾向于增加这些乳液的稳定性。通常不需要稳定的油-水乳液，因为这增加了泵送和运输费用并且会腐蚀管道，泵和蒸馏塔。

沥青质的表面活性可以用光学张力仪通过简单的界面张力测量来评估。通过将高压腔体组合到系统中，可以实现在高压和高温下进行测量。

另一种广泛应用的方法是研究油水界面的界面流变性。界面的弹性与油水乳状液的稳定性有关。吸附沥青质层的界面流变性可以用振荡液滴法研究。另一种方法是采用基于浮针流变仪的界面剪切流变（ISR）表征沥青质堆积密度的关系函数。

布鲁斯特角度显微镜可以在空气-水界面上对沥青质进行可视化的形态学研究。

应用文摘下载：蛋白质在空气-水和油-水界面处的界面凝胶化吸附

下应用文摘下载：薄膜结构的成像：布鲁斯特角显微镜

观看网络研讨会：界面流变学：从基础到应用

[表面活性剂和乳液|破乳]

与乳液稳定性在许多工业过程和产品中很重要一样，破乳在其他环境中也是至关重要的。

反乳化作用或破乳，在原油生产和废水处理中尤为重要。 在原油生产中，通常会生产油包水乳液。由于许多原油中天然存在的沥青质和树脂，这些乳液可能非常稳定。 原油和水的有效分离在原油质量方面至关重要，同时也要确保以低的成本分离出高质量的水相。

破乳剂用于使油包水乳液不稳定

从工艺角度来看，破乳有两个方面：分离发生的速率和原油中剩余的水量。生产的石油通常必须符合公司和管道规格。 通常，从潮湿的原油处理装置装船的油可能每千桶原油含有不超过0.2％的BS＆W（基本沉淀物和水）或4.5千克盐。这种相当低的浓度要求是为了减少腐蚀和盐的沉积。

乳状液分离成油和水的过程涉及水滴周围乳化膜的失稳。有几种方法可以用来破坏乳液的稳定性，如加入化学破乳剂、增加乳液的温度、施加电场促进乳液的聚集和物理特性的改变。化学破乳剂的加入是目前常用的方法。

破乳剂是具有表面活性的试剂，用于油水界面的迁移和中和乳化剂的影响。在破乳过程中，选择合适的破乳剂至关重要。由于原油中各种成分的种类繁多，根据原油类型选择破乳剂十分重要。界面流变参数，特别是界面膨胀弹性，与乳液稳定性有关。通过测量在添加破乳剂存在时油水界面的界面流变可得到破乳剂的有效性。

[表面活性剂和乳液| 泡沫]

泡沫在许多工业产品和工艺中非常重要。在身体护理和食品中通常需要泡沫，但在如印刷，泵送和润滑等某些工业过程中，泡沫是不需要的，并且需要使用消泡剂。 而浮选和提高石油采收率等许多工艺都利用泡沫。

泡沫可以被认为是空气-水乳液。正如在油水乳液中一样，需要表面活性剂分子来降低气-水界面之间的表面张力以形成泡沫。

提高石油采收率的泡沫

注气（如二氧化碳，甲烷或氮气）常用于提高原油采收率。 然而，由于气体与水和油相比具有较低的粘度和密度，因此会出现诸如气体通道通过高渗透率区域和气体迁移到多孔介质上部的问题。因此，气驱的容积扫描效率往往较差。为了提高气驱的效率，建议使用泡沫注射。

泡沫提供了一种降低气体流动性以提高排量和吹扫效率的方法。 基于泡沫的EOR方法的一个主要问题是泡沫稳定性。必须在多孔结构中保持泡沫稳定以成为有效的回收剂。表面活性剂在泡沫稳定性方面处于关键地位。例如，为了生产稳定的水包二氧化碳泡沫塑料（研究最多的泡沫体系之一），在储藏条件下开发可稳定二氧化碳-水界面的表面活性剂至关重要。

[表面处理和涂层| 涂料]

涂料和清漆应用于表面以提供装饰性或保护性涂层。 作为基本要求，它们应该在表面上形成均匀、无缺陷的涂层。 表面和界面张力在涂层质量中起关键作用。

涂料由四部分组成; 粘合剂、溶剂、颜料和添加剂。 清漆的组成是一样的，但它们缺少颜料。

添加剂如润湿剂可用于降低液体的表面张力，从而更好地润湿基材。 接触角测量得到的表面张力可用于确定最佳润湿剂以及优化配方中润湿剂的量。

大多数涂层评价试验都是基于涂层的视觉外观，因此是定性的。 表面张力和接触角测量都提供了可用于评价涂层性能的定量评估。 当几种涂料配方给出的涂层外观类似时，这种定量评价特别有用。

根据表面张力与时间的关系预测涂层行为

表面张力值给出了涂层如何在基材上扩散的程度。 较低的表面张力值通常会得到更好的涂层，但是表面张力值过低会出现流平等问题。测量表面张力的另一个方面是它作为时间函数的行为。表面老化是一种已知的现象，导致表面张力随着时间的变化而变化。如果使用悬滴法来测量表面张力，一旦液滴形成，表面活性剂分子开始迁移到气液界面，这将导致表面张力下降直到达到平衡为止。 达到平衡所需的时间通常应尽可能短，因为这将导致更好的涂层。

[表面和界面张力 - 它是什么以及如何测量？]

采用接触角测量和表面自由能确定基材的最佳涂料配方

在视觉检测不能确定不同涂层之间差异的情况下，可使用接触角测量来确定给定基材的最佳涂料配方。低接触角通常是理想的，因为它们表现出更好的润湿性。 虽然表面张力测量也能够给出最佳润湿配方的指示，但由于配方和基材之间的相互作用比初看时更为复杂，因此接触角评价也很重要。

基材的表面自由能是与液体表面张力相当的固体性质。 表面自由能（简称SFE）和表面张力都是由极性力和色散力成分组成的。极性组分和色散组分在固体和液体中的分布决定了接触角。 因此，如果极性/色散平衡比固体表面张力更低，则更高的表面张力配方可以产生更低的接触角值。

有几种ISO标准可用于涂料