表面活性劑對于大多數人來說,它是肥皂/清洗劑/洗滌劑的同義詞｡如果我們考慮到五千年來表面活性劑的歷史一直被這種產品分類和主題所統治,以及由于清潔標準的提高和洗滌習慣的發展帶動了20世紀表面活性劑市場并取得驚人成長的話,這種同義詞就不足以為奇了｡
如同經常發生的現象那樣,感覺和實際常常并不相吻合｡在20世紀30年代~40年代,非洗滌劑的工業應用進入早期快速發展期,隨后逐漸發展成今天的規模｡其影響相當深刻,應當充分認識它的價值｡
表面活性劑及其復配物的應用非常廣泛,使得其工業應用很難有明確的定義｡這里所涉及的“工業應用”是指不在零售商店銷售,最終用戶不是個人的所有應用｡它不包括食品,個人護理品以及藥物這類含重要非洗滌劑組分的市場,但包括像乳液､懸浮聚合體､聚合物改性(如熱塑塑料､熱固性物､聚氨酯樹脂和合成纖維)､農作物保護､土木工程､紙漿和造紙､石油提取和精煉､織物和皮革的處理､工業和公共設施清洗､采礦､礦石浮選､金屬加工以及油漆/油墨/涂料等｡表1給出了按此分類的1997年洗滌劑及工業表面活性劑在歐洲､日本和北美的消耗量｡
表中顯示,工業表面活性劑是很重要的部分,并且也是增長的部分｡如1994年~1997年間,歐洲的工業表面活性劑消耗量的增長率(11.4%)是洗滌劑用表面活性劑增長率(4.5%)的兩倍多｡
歷史上,現代工業表面活性劑的起源可追溯至20世紀30年代早期｡那時,為開發丁苯橡膠生產中所用的脂肪酸替代物,采用了乙氧基化技術｡后來由于工業化學的進步與工藝工程發展的結合,拓展了原料的范圍如環氧乙烷､烷基苯､烷基酚､脂肪醇和脂肪胺等,也提供了將這些原料轉變成具有更強去污性､耐硬水性､更好乳化､潤濕和分散性的表面活性劑的手段｡隨著消費者生活水平的提高以及工業生產尋求提高產量和產品質量,擴展產品應用范圍,降低成本,以上述技術實現為背景,形成了一個巨大的潛在市場｡表面活性劑至少可部分滿足上述要求｡它的應用研究通過鑒別表面活性劑及其應用條件,將技術和市場有機結合在一起｡
在兩代人手中,合成表面活性劑從實驗室規模發展成大規模商業生產,已成為幾乎所有產品的創造過程中不可缺少的因素｡諾貝爾獎獲得者Pirrre Gille de Gennes說:“我認為50年代早期至70年代中期是表面活性劑發展的黃金時代｡這時期也是人們狂熱地研制新型表面活性劑品種并很快轉變成商業生產的年代｡”
更重要的是,這是一個人們意識到表面活性劑巨大潛能并通過創新獲取益處的時期,也是應用開始快速成長的時期,膠體化學中應用研究的孩提時代已經結束｡通過采用已成熟的表面活性劑(失水山梨醇酯或壬基酚乙氧基化物)或開發新型表面活性劑(含硅活性劑),科學家們創造了值得贊譽的新產品和新工藝,特別是:①通過逆乳化法的聚合反應;②乳化炸藥;③農藥助劑;④聚氨酯泡沫｡
表面活性劑在工業過程應用的主要特點是使用量與所產生的效果不成比例｡表2給出一些實例｡
如表2所示,表面活性劑在工業應用中的特點是添加量很小,但作用顯著｡正確選擇和應用表面活性劑是獲得理想效果的絕對基礎｡
目前約有65種主要的表面活性劑,它們都可用于前面提到的12種工業產品和過程中｡我們更關注的是市場和技術間不斷增長的相互影響｡傳統的市場需求越來越多的表面活性劑結構,可以通過配方或拓展用途或改進現有的表面活性劑結構來滿足這種需求｡而新工業表面活性劑的開發成果,激勵著人們進行新的可能的市場研究,應用研究在此過程中發揮了主要的核心作用｡應用研究支持了表面活性劑市場的繼續增長｡表3展示了近年來市場/技術相互作用的結果｡
運用在特定目標物表面進行覆蓋､吸收和易位等幾種機理,表面活性劑能改變起農作物保護作用的生物活性,這一點現已得到證實和認可｡作用的大小取決于活性劑的合理選擇以及使用量｡選擇的方法逐漸由60年代的經驗法發展到應用結構/性能原理的先進篩分儀器法,并試圖表述出可能與助劑有關的物理化學全過程｡原來選擇用的乙氧基化衍生物與齊聚硅氧烷及硅表面活性劑復配,提高了它的分散和潤濕作用,并使這種作用最大化｡最新一代的助劑(烷基多糖苷)具有綜合性能,其中重要的是潤濕/分散性,環境友善性及配方相容性等｡
聚合表面活性劑對乳液和分散體的穩定化及在極端的溫度､剪切力､離子強度和分散相比率等條件下操作的獨特性能被用于許多工業應用方面｡水溶性單體通過逆相乳化的聚合,生成高分子聚合物(這種聚合物尤其對水提純及液體吸收有效),同時可減少烴類溶劑的用量,減少廢物產生｡聚合表面活性劑可用于高水含量的O/W型液壓液,這種液壓液與純烴類油的性能相當,但卻明顯降低了火災的危險性｡超濃縮乳液可提高生產的安全性,并可應用于采礦中｡密封膠和制陶業是這類表面活性劑的新的應用領域｡精密設計的配方可以改善紡紗時人造纖維的分散和保留性,能以更快的速度紡紗,提高了纖維的潤濕性和抗靜電性,并減少了化合物的使用量｡
以乙炔基及硅表面活性劑為基礎的復配物改變了油漆､油墨和涂料的泡沫控制步驟｡通過限定分子傳遞的熱力學作用,使水從很難處理的原油中剝離出來,提高了油的質量,降低了水污染及化學品的使用量｡分子模型化技術已能用于高性能配方,如農作物保護超乳液､選種､濃縮懸浮液或油漆､染料分散劑的設計｡
那么,未來的前景是什么?
在工業化國家,工業部門正經歷著發展的過程｡該過程很可能要持續很長時間,這取決于以下幾個因素:
(1)生產結構基礎的變化越來越多的工業由制造基礎產品(如農業､鋼鐵､聚合物､化學品和纖維)向提供最終商品(如汽車､食品､電器､設備和軟件)和服務轉變｡工業表面活性劑的品種和配方也因不同的作用要求,不同的使用條件以及不同的性能/價格評估原則正發生改變｡雖然典型的產品像磺酸鹽､乙氧基化物､季銨鹽仍將繼續發揮主導作用,但有理由相信,將來對性能和特殊作用的要求會更高｡
(2)技術的推動由于工業的進步,制造過程變得更復雜,需求更高｡用于彈性條件下的表面活性劑及配方,必須具有更強的作用和多種功能｡特制配方,通過計算機輔助分子設計的特定表面活性劑的優化及更完善的結構/性能關系模型將可能成為普遍的工具以滿足工業的需求｡
(3)形成市場過去,工業部門已對市場動態作出了快速反應,今后還將繼續發展這種能力以利用將要形成的機遇｡以包裝材料和家庭垃圾回用形成的資源保護正成為一個契機｡多年來紙的回用一直采用一種基本的方法,并使用了大量的表面活性劑,如果石油價格繼續走高,必將使人們關注像煤/油､煤/水漿這類已在80年代中期證實了其技術可行性的能源替代物｡
(4)法律和法規法律和法規可能直接影響在特殊應用中使用的表面活性劑類型(如壬基酚或食品添加劑),但真正的影響是把法律和法規貫徹到下游產品｡揮發性有機物(VOC)的限制意味著對新產品配制原理的重新考慮以及對現有產品的重新配制｡對生態環境征稅政策(現有的和計劃中的)的變向,將毫無疑問地向減少財政處罰的方向發展｡
(5)公眾觀念由于人們要花時間才能達到充分的成熟和深層次的滲透,所以公眾觀念運動形成的概念具有滯后的影響｡在這個意義上,“持續性”正開始發揮其作用｡“持續性”的最好定義為滿足當代人需求但不危及后代人滿足其需求的能力｡如果表面活性劑生產商和工業使用者的產品和產品的制造方法可能引起自然資源的消耗或產生生態環境不能接受的改變的話,他們可能面臨更大的問題和公眾的不滿｡
在可預見的未來,工業表面活性劑的消耗將與GDP增長速度相同,與前十幾年超過GDP增幅相比已有所降低,這應歸功于人們對表面活性劑性能的了解｡由于提高了表面活性劑的應用效率,所以在新的應用中并不僅僅依賴于使用量｡以競爭激烈的化學市場為基礎的日化產品,其銷售價格競爭利潤空間逐漸縮小｡專用的和有效的表面活性劑的情況會更好些,它們將部分取代價值較高的日化產品｡
為支持工業表面活性劑市場的發展,應用研究將比過去更需要,由于成本､法律限制和知識產權約束的加強,新型特殊表面活性劑推出的壁壘將比以往經歷的更高,因此需要為應用的發明提供更多的傳輸作用,相信應用研究的技術專家將能勝任這一挑戰｡
微乳和多相乳液已建立了多年,但為滿足工業發展的需要和證明其相對高成本的價值,仍有優化的空間｡
碳水化合物基的表面活性劑如烷基多糖苷､糖苷､糖苷酯､葡糖胺和葡糖酰胺和葡糖酯的潛能必須得到充分發揮｡它們應(在某些例子中已經)取代乙氧基化衍生物,通過性能/價格優勢的證明,這種趨勢必會加強｡烷基多糖苷起初是在洗滌劑應用中作為烷基硫酸鹽和烷基醚硫酸鹽的替代物開發的,現在已拓展用于工業部門,尤其是在采礦和農作物保護中｡
空間穩定性原理和相應設計的聚合表面活性劑分子能用于極端條件下的配方中,也將在高價格/性能過程如紡紗､金屬加工､染料和殺蟲分散體中得到應用｡
如上所述,法律措施和公眾觀念的結合將成為工業應用研究的一種主要驅動力｡烷基酚乙氧基化物在歐洲,以及烷醇酰胺在美國的有關安全性爭論,尚未得出結論,因此,仍有許多新的配方工作需要做｡隨著產品的成熟;對表面活性劑性能的進一步了解;以及改進的替代物不斷出現,類似的事件還會發生｡
工業表面活性劑的市場對新發明的門戶是敞開的,潛力是巨大的,回報是豐厚的,它為深諳此道的表面活性劑制造商提供了重大的獲利機遇｡
