化學工業是包括將諸如石油、天然氣、空氣、水、金屬和礦物等原材料轉化為成千上萬種不同產品的行業。

化學工業是發達國家最大的制造業之一。化學工業主要生產化學品如聚合物、石化產品和基本無機化學品這些作為上游原材料產品，供給其他公司使用。

納米級的表面相互作用和反應分析

化學物質和其混合物占據了我們生活的各個方面，它們無處不在。在某些情況下，它們在特定環境及與某些表面相遇時的行為可以是相關和感興趣的，因為這可能會影響化學行為偏離預期。例如，以我們日常生活中常見的化學物質表面活性劑和聚合物為例，表面活性劑被廣泛用于洗滌劑和其他清潔劑，原油開采和藥物合成等。了解表面活性劑和乳液的穩定性對于確保產品質量尤為重要。

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

所有這些領域都以某種方式與界面科學相關。這意味著對界面行為和特性的了解對最終用戶的分子設計和控制非常重要。

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實時評估的儀器，可幫助您全面了解表界面分子間的相互作用，表征固液界面處的現象和相互作用，如吸附動力學，吸附層厚度，形貌變化和分子-表面相互作用的穩定性。

[表面清潔| 表面活性劑]

您在表征表面活性劑嗎？

作為清潔產品的關鍵組分之一，表面活性劑在提高清潔配方性能方面備受關注。有幾個性能方面可用于表征、評價和強化最終配方的性能，使其到達最佳狀態，以幫助提高如發泡，待清潔表面的潤濕、乳化污垢和保持污垢分散在溶液中以防止表面再沉積等關鍵特性。在界面的具有表面活性物質的動力學對于表征和評價至關重要。根據所需性能和特定條件進行設計、調整和優化時，充分了解單一表面活性劑、表面活性劑組合或更為復雜的洗滌劑配方如何在實時和納米尺度上發揮作用非常重要。表面活性劑和特定污漬之間的相互作用以及作為濃度、水質和溫度等關鍵參數函數的去除效率都與提高產品的活性、效率和成本效益有關。

采用潤濕性評價表面活性劑的效率

洗滌劑的效率與它們潤濕待清潔表面的能力有關，無論是光滑、堅硬的玻璃表面或是柔軟多孔的紡織品。 為了潤濕表面，需要鋪展液體。 要將洗滌劑溶液鋪展到固體基材上取決于洗滌劑溶液的表面張力以及溶液和固體表面之間的接觸角。洗滌劑溶液的表面張力受添加表面活性劑的影響，可以通過使用光學或力學表面張力儀來測量。 可通過測量臨界膠束濃度(CMC)來優化表面活性劑的用量。

洗滌劑溶液鋪展后，必定發生污漬的乳化， 表面活性劑在該過程中起主要作用。 表面活性劑還有助于將收集到的污垢分散在溶液中，防止其在表面發生再沉積。

優化洗滌劑溶液中表面活性劑的用量

優化用于清潔溶液的表面活性劑的用量是很重要的，因為過量使用表面活性劑同時既有經濟效益，又影響環境。 臨界膠束濃度（CMC）是常用于表面活性劑濃度優化的一個重要參數。 由于去污力受單分子表面活性劑的影響，實際上不受膠束存在的影響，所以CMC點可以作為所需表面活性劑用量的指標。 Sigma 700/701結合自動分配器可以完成全自動CMC測量。因為測量是自動運行的，無需人工交互，可減少了所需的勞動時間。

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

表面活性劑界面動力學探索

采用QSense® QCM-D技術，根據需要，有幾種方法可以探索、表征和優化表面活性劑行為和性能。可以表征單一表面活性劑、表面活性劑組合或是完整配方。 QSense® QCM-D技術除了提供描述特定表面活性劑、多表面活性劑溶液或完整配方如何與特定材料或污漬相互作用以及可用于評價去除效率的清洗概況之外，還可以高精度地探索表面-污漬相互作用動力學隨溫度和表面活性劑濃度等關鍵參數的變化。 通常還可以監測和表征表面活性劑/表面界面動力學和行為，并提取如吸附動力學和吸附表面活性劑層的形態變化。

[表面活性劑和乳液| 表面活性劑]

幾乎所有的工業產品都會用到表面活性劑，從清潔劑到油漆，化妝品到食品。 表面活性劑根據它們所應用的系統可以作為清潔劑，潤濕劑，乳化劑，發泡劑和分散劑。天然存在的表面活性劑也可能導致不必要的產品性能。表面活性劑的表征對于確保產品和工藝的最佳性能至關重要。

表面活性劑通常是兩親的有機化合物，這意味著它們同時含有親水性（水溶性）和疏水性（水不溶性）部分。 由于它們的兩親性質，表面活性劑吸附在界面上，從而降低了兩相之間的表面和界面張力。

在許多工業過程中，可添加表面活性劑以改善產品的性能。 例如，表面活性劑用于清潔劑以提高清潔產品的效率，也可以作為食品產品中的油漆或乳化劑中的潤濕劑。表面活性劑的另一個方面是作為表面活性劑的天然化合物。這些包括在重質原油中發現的瀝青質，可能會在原油生產中引起各種問題。

表面活性劑在氣-液或液-液界面的吸附

通過測量其降低表面或界面張力和穩定乳液的能力以及通過研究其親水-親油平衡（HLB）來測定表面活性劑的效率。

通過測量表面和界面張力與濃度的關系函數，可以確定給定表面活性劑或表面活性劑混合物能夠產生的表面張力或界面張力下降的最大值。 從經濟角度來看這也是重要的，因為使用的表面活性劑的量對產品的成本有直接影響。就表面活性劑濃度和表面活性劑的毒性而言，也需要考慮環境因素。 臨界膠束濃度測量通常用于確定制劑中表面活性劑的最佳量。

[下載表面和界面張力—它是什么以及如何測量它？]

表面活性劑在固體表面吸附

了解表面活性劑在固體表面的吸附，例如在油漆制造、水過濾或原油生產等過程中非常重要。 以涂料為例，這是一種復雜的水基混合物，包括顏料顆粒、聚合物和表面活性劑等不同組分。 顏料顆粒是賦予涂料所需的顏色，聚合物增加粘度和表面活性劑，以增加涂料的穩定性和潤濕性。 如果在顏料表面上優先吸附聚合物而不是表面活性劑，則會出現問題。 這會導致干膜的顏色外觀和粘合性能下降。

原油生產中瀝青質的吸附造成的問題

由于許多最近發現的儲量中含有瀝青質（油砂，重油），瀝青質引起的興趣越來越大。 瀝青質是原油的高分子量組分，其確切的分子結構未知，通常被歸類為不溶于烷烴，如正戊烷和正庚烷，但可溶于甲苯。  瀝青質傾向于吸附在界面上，從而增加油水乳液的穩定性（與乳液穩定性相關）并改變油藏的潤濕行為。原油加工過程中瀝青質的吸附也會造成管道污染等問題。

為了了解瀝青質沉積的機理，需要對瀝青質 - 固體相互作用有基本的了解。 QSense QCM-D可用于表征不同溶劑條件下各種表面上的瀝青質吸附和污染。

瀝青質的沉淀和沉積會導致儲層巖石的潤濕性改變和滲透率降低，從而導致采油率下降。 通過接觸角測量可以研究油、流體和巖石之間的潤濕性和界面張力測量。接觸角測量也可以在的高壓和高溫下模擬油藏條件進行。

固液界面表面活性劑吸附動力學表征

正如我們所看到的，在固液界面上表面活性劑和它們的行為是許多領域的核心，從生物學應用到去污和清潔到提高石油采收率。 QSense QCM-D技術能夠根據界面上的動力學和行為對表面活性劑、表面活性劑體系以及表面活性劑混合物進行表征。利用這種表面敏感技術，可以研究表面活性劑對不同表面的吸附和解吸動力學，并實時監測吸附動態。表面可以容易地變化，這使得規劃出表面材料、表面官能度和親水性或疏水性的影響成為可能。還可以確定吸附表面活性劑的層厚度，并根據各種表面活性劑濃度、pH值、鹽濃度和溫度來追蹤吸附膜的形態變化。該技術還能夠探索和表征表面活性劑與例如脂質囊泡或聚合物和聚電解質層之間的相互作用。

[表面活性劑和乳液|乳液穩定性]

乳液是兩種或兩種以上液體的混合物，它們通常是互不相容的。從熱力學的觀點來看，乳液是一個不穩定的體系，因為液-液系統有分離和降低它的界面能的自然趨勢。

乳液的穩定性可以被定義為體系抵抗其物理化學性質隨時間變化的能力。乳液的穩定性在許多工業應用中非常重要，包括涂料、食品、農業配方，個人護理和石油。乳化、絮凝和聚集等幾種機制會導致破乳。

雖然乳液穩定性在大多數工業產品和工藝中是必需的，但也有一些加工過程不需要乳液的穩定性。例如，原油回收需要在運輸前將原油從水中分離出來，或者廢水處理也不需要油水乳狀液。

界面流變學測試預測乳狀液的穩定性

界面流變學是一個特殊的流變學分支，它涉及研究在界面上形成的特別的二維體系。正如流變學是研究流體流動，界面流變學是研究流體界面流動特性。

食品和飲料中的界面流變學

蛋白質可以作為食品中的表面活性劑，但也可以添加其他穩定劑以提高穩定性。卵磷脂是為數不多的天然表面活性劑之一。隨著環境和健康問題受到關注，天然表面活性劑越來越引起人們的興趣。

應用文摘下載：蛋白質在氣液和油水界面上的吸附和界面凝膠化

應用文摘下載：在氣液界面上單分子層的界面流變學

觀看網絡研討會：界面流變學：從基礎到應用

工業級非離子乳化劑的表面表征

聚氧乙烯表面活性劑被廣泛用于工業應用，如涂料、食品、農業配方、個人護理和石油，其中乳液和泡沫穩定性是重要的。 醇乙氧基化物正在取代傳統上在許多應用中作為乳化劑的更有毒的烷基酚乙氧基化物。 然而，直鏈醇乙氧基化物沒有表現出與烷基酚乙氧基化物一樣良好的乳化劑性能，這主要是由于后者有更龐大的尾部。 這是由于極性頭和碳氫化合物尾的大小不同，阻礙了界面上緊密堆積的薄膜的形成。

已經研究了兩種基于EO基團數量不同的C10-Guerbet醇工業級非離子表面活性劑的吸附和表面流變性質。，它們是C10EO6和C10EO14。

兩種表面活性劑的表面壓力等溫線符合重新取向模型。 但是，表面流變學數據有不同的解釋。 它表明，C10EO6可以在擴散弛豫過程的模型框架中解釋，而C10EO14偏離擴散弛豫過程，其表面流變反應接近于非離子聚合物表面活性劑。 圖1（C10EO6）和圖2（C10EO14）顯示了兩種表面活性劑在兩個頻率（0.02 Hz和0.5 Hz）下振蕩擾動得到的儲能模量（E'）和損耗模量（E“）。 實線和虛線是從擴散模型獲得的適合實驗數據。 結果表明，只有C10EO6表面活性劑的實驗數據與所提出的模型有良好的一致性。

圖1. C10EO6表面活性劑在兩個頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下儲存模量（E'，空心符號）和損失模量（E“，實心符號）與表面活性劑本體濃度的關系函數。 實線和虛線是擴散模型實驗數據的最佳擬合曲線。

圖2. C10EO14表面活性劑在兩個頻率（0.02Hz-三角形）和（0.5Hz-菱形）下的儲存模量（E'，空心符號）和損耗模量（E“，實心符號）與表面活性劑本體濃度的關系函數。 實線和虛線是擴散模型實驗數據的最佳擬合曲線。

兩種表面活性劑的表面流變性質表明它們在空氣/水界面處形成了粘彈性層，然而由于氧乙烯基團的數量不同，吸附膜表現出不同行為。對于較小的表面活性劑，吸附和流變數據符合擴散模型，而較大的C10EO14表面活性劑表現出更接近于聚合物表面活性劑的表面行為。而且，兩種表面活性劑的膨脹彈性和粘度的比較表明通過增加EO基團的數量可增加彈性。吸附的表面活性劑膜的彈性與泡沫和乳液穩定性直接相關。因此，與較短的C10EO6表面活性劑相比，C10EO14表面活性劑可能形成更穩定的抗聚結層。盡管如此，由于前者表面活性劑的擴散性較高，因此使用C10EO6比C10EO14泡沫形成能力更強。因此，這些結果可能會發現有趣的應用，以便通過使用含有氧乙烯基團的非離子表面活性劑合理地開發穩定的泡沫和乳液。

文獻依據: 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.

瀝青質穩定油 - 水乳液

當油被回收時，形成了復雜的油-水乳液。 在油-水界面吸附的瀝青質傾向于增加這些乳液的穩定性。通常不需要穩定的油-水乳液，因為這增加了泵送和運輸費用并且會腐蝕管道，泵和蒸餾塔。

瀝青質的表面活性可以用光學張力儀通過簡單的界面張力測量來評估。通過將高壓腔體組合到系統中，可以實現在高壓和高溫下進行測量。

另一種廣泛應用的方法是研究油水界面的界面流變性。界面的彈性與油水乳狀液的穩定性有關。吸附瀝青質層的界面流變性可以用振蕩液滴法研究。另一種方法是采用基于浮針流變儀的界面剪切流變（ISR）表征瀝青質堆積密度的關系函數。

布魯斯特角度顯微鏡可以在空氣-水界面上對瀝青質進行可視化的形態學研究。

應用文摘下載：蛋白質在空氣-水和油-水界面處的界面凝膠化吸附

下應用文摘下載：薄膜結構的成像：布魯斯特角顯微鏡

觀看網絡研討會：界面流變學：從基礎到應用

[表面活性劑和乳液|破乳]

與乳液穩定性在許多工業過程和產品中很重要一樣，破乳在其他環境中也是至關重要的。

反乳化作用或破乳，在原油生產和廢水處理中尤為重要。 在原油生產中，通常會生產油包水乳液。由于許多原油中天然存在的瀝青質和樹脂，這些乳液可能非常穩定。 原油和水的有效分離在原油質量方面至關重要，同時也要確保以低的成本分離出高質量的水相。

破乳劑用于使油包水乳液不穩定

從工藝角度來看，破乳有兩個方面：分離發生的速率和原油中剩余的水量。生產的石油通常必須符合公司和管道規格。 通常，從潮濕的原油處理裝置裝船的油可能每千桶原油含有不超過0.2％的BS＆W（基本沉淀物和水）或4.5千克鹽。這種相當低的濃度要求是為了減少腐蝕和鹽的沉積。

乳狀液分離成油和水的過程涉及水滴周圍乳化膜的失穩。有幾種方法可以用來破壞乳液的穩定性，如加入化學破乳劑、增加乳液的溫度、施加電場促進乳液的聚集和物理特性的改變。化學破乳劑的加入是目前常用的方法。

破乳劑是具有表面活性的試劑，用于油水界面的遷移和中和乳化劑的影響。在破乳過程中，選擇合適的破乳劑至關重要。由于原油中各種成分的種類繁多，根據原油類型選擇破乳劑十分重要。界面流變參數，特別是界面膨脹彈性，與乳液穩定性有關。通過測量在添加破乳劑存在時油水界面的界面流變可得到破乳劑的有效性。

[表面活性劑和乳液| 泡沫]

泡沫在許多工業產品和工藝中非常重要。在身體護理和食品中通常需要泡沫，但在如印刷，泵送和潤滑等某些工業過程中，泡沫是不需要的，并且需要使用消泡劑。 而浮選和提高石油采收率等許多工藝都利用泡沫。

泡沫可以被認為是空氣-水乳液。正如在油水乳液中一樣，需要表面活性劑分子來降低氣-水界面之間的表面張力以形成泡沫。

提高石油采收率的泡沫

注氣（如二氧化碳，甲烷或氮氣）常用于提高原油采收率。 然而，由于氣體與水和油相比具有較低的粘度和密度，因此會出現諸如氣體通道通過高滲透率區域和氣體遷移到多孔介質上部的問題。因此，氣驅的容積掃描效率往往較差。為了提高氣驅的效率，建議使用泡沫注射。

泡沫提供了一種降低氣體流動性以提高排量和吹掃效率的方法。 基于泡沫的EOR方法的一個主要問題是泡沫穩定性。必須在多孔結構中保持泡沫穩定以成為有效的回收劑。表面活性劑在泡沫穩定性方面處于關鍵地位。例如，為了生產穩定的水包二氧化碳泡沫塑料（研究最多的泡沫體系之一），在儲藏條件下開發可穩定二氧化碳-水界面的表面活性劑至關重要。

[表面處理和涂層| 涂料]

涂料和清漆應用于表面以提供裝飾性或保護性涂層。 作為基本要求，它們應該在表面上形成均勻、無缺陷的涂層。 表面和界面張力在涂層質量中起關鍵作用。

涂料由四部分組成; 粘合劑、溶劑、顏料和添加劑。 清漆的組成是一樣的，但它們缺少顏料。

添加劑如潤濕劑可用于降低液體的表面張力，從而更好地潤濕基材。 接觸角測量得到的表面張力可用于確定最佳潤濕劑以及優化配方中潤濕劑的量。

大多數涂層評價試驗都是基于涂層的視覺外觀，因此是定性的。 表面張力和接觸角測量都提供了可用于評價涂層性能的定量評估。 當幾種涂料配方給出的涂層外觀類似時，這種定量評價特別有用。

根據表面張力與時間的關系預測涂層行為

表面張力值給出了涂層如何在基材上擴散的程度。 較低的表面張力值通常會得到更好的涂層，但是表面張力值過低會出現流平等問題。測量表面張力的另一個方面是它作為時間函數的行為。表面老化是一種已知的現象，導致表面張力隨著時間的變化而變化。如果使用懸滴法來測量表面張力，一旦液滴形成，表面活性劑分子開始遷移到氣液界面，這將導致表面張力下降直到達到平衡為止。 達到平衡所需的時間通常應盡可能短，因為這將導致更好的涂層。

[表面和界面張力 - 它是什么以及如何測量？]

采用接觸角測量和表面自由能確定基材的最佳涂料配方

在視覺檢測不能確定不同涂層之間差異的情況下，可使用接觸角測量來確定給定基材的最佳涂料配方。低接觸角通常是理想的，因為它們表現出更好的潤濕性。 雖然表面張力測量也能夠給出最佳潤濕配方的指示，但由于配方和基材之間的相互作用比初看時更為復雜，因此接觸角評價也很重要。

基材的表面自由能是與液體表面張力相當的固體性質。 表面自由能（簡稱SFE）和表面張力都是由極性力和色散力成分組成的。極性組分和色散組分在固體和液體中的分布決定了接觸角。 因此，如果極性/色散平衡比固體表面張力更低，則更高的表面張力配方可以產生更低的接觸角值。

有幾種ISO標準可用于涂料