乳化劑

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乳化劑(Emulsifying Agent)

目錄

什麼是乳化劑[1]

  乳化劑是指能使兩種互不相溶的液體混合時形成穩定的乳狀液所需加入的第三種物質,其主要作用在於能降低兩種不能相混合的體系間的界面張力。

乳化劑的作用機理[2]

  形成乳化液所使用的乳化劑絕大多數都是錶面活性劑,由親水基和疏水基兩部分組成,它們能在相互排斥的油水界面形成分子薄膜從而降低其錶面張力。如按活性基團的離子類型進行分類,這種錶面活性劑可以分為非離子型、陽離子型、陰離子型、兩性離子型。這四種類型的錶面活性劑從結構上來講有一個共同的基本特點,即它是一種兩性物質。以陰離子錶面活性劑脂肪酸鈉為例,其一端是由碳氫長鏈等組成的非極性憎水基團溶於油中;另一端是極性親水基團溶於水中。

  在上述過程中,由於錶面活性劑的存在使得非極性憎水型油滴變成了帶負電荷的膠粒,並因此獲得了更大的錶面積具有了更大的錶面能。由於極性和錶面能的作用,帶負電的油滴膠核吸附水中的反離子或極性水分子形成膠體雙電層則進一步阻止了油滴問的相互碰撞,使油滴能長期穩定地存在於水中。

乳化劑的分類[3]

  按照乳化劑親水基性質的不同,乳化劑分為陰離子型、陽離子型、兩性離子型、非離子乳化型以及複合離子型等。

  1.陰離子乳化劑

  此類乳化劑原料便宜易得,工藝簡單,技術成熟,不必調節pH值就可直接使用,在乳化瀝青的發展初期受到了重視。主要包括羧酸鹽類、磺酸鹽類、硫酸脂鹽類、磷酸脂鹽類等。

  2.陽離子乳化劑

  此類乳化劑發展較晚,但實踐發現它與各種礦料有更好的粘附性,用量少等優點,得到了更廣泛的應用。主要有烷基胺類、酰胺類、咪唑啉類、季銨鹽類、環氧乙烷雙胺、胺化木質素等。其中二烷基或三烷基胺類一般沒有乳化性,含有C12C22的單烷基胺類乳化劑效果較好,但是烷基單胺缺乏足夠的乳化能力,所以現在常用有C12C22 烷基、2~4個亞甲基的N-烷基聚亞甲基二胺鹽類乳化劑。烷基丙烯二胺常由丙烯腈與伯胺加成還原得到,而滷代烷同乙二胺反應也是合成N-烷基乙二胺的最普通方法。同樣,滷代烷與多亞甲基多胺(二亞甲基三胺、三亞甲基四胺等)反應,可以得到N-烷基多胺。實踐證明,有C16C20的脂肪烴基取代的乙撐或丙撐二胺是性能良好的陽離子乳化劑。

  季銨鹽類乳化劑是應用最為廣泛的陽離子乳化劑。主要有烷基季銨鹽(如1831、18331、1621等),雜環結構的季銨鹽,通過酰胺、酯、醚等基團連接的季銨鹽(如ArOC2H4OC2H4N + MeEtCl)等。特別是含氯烷基季銨鹽類,如烷基吡啶氯化物,用於稀漿封層中能減少快裂型瀝青乳液的流失。連有C8C22 鏈的芳基或環烷基季銨鹽,可以減慢瀝青的破乳,並有改善與石料、混凝土等粘附性的作用。儘管季銨鹽類的乳化能力與二胺類相當,但與石料等基體結合破乳後形成的覆蓋膜層較薄。

  酰胺類乳化劑常由脂肪酸(酯)胺解得到,其單酰胺化合物是一類重要的錶面活性劑,反應過程中通入CO2可防止二酰胺的生成。由脂肪酰胺的鹽酸鹽得到的乳液具有良好的貯存穩定性和對各種基體的粘附性能。脂肪酸的衍生物,特別是妥爾油與二乙烯三胺或四乙烯五胺的產物,是一種很有用的瀝青乳化劑。另外,烷基酰胺多胺RCO-NH(C3H6NH)nC3H6NH2中含有多個親水性胺基,所以能通過調節pH值,得到性能各異的瀝青乳液。但是酰胺類乳化劑在水中有水解現象。酰胺類乳化劑經進一步加熱脫水可以形成咪唑啉類陽離子乳化劑,它的無機酸鹽也是很好的乳化劑。

  3.兩性離子乳化劑

  它的分子結構與氨基酸相似,即分子中同時存在酸性基和鹼性基,易形成“內鹽”。主要有甜菜鹼型、氨基酸型、咪唑啉型等,也有雜元素代替N、P 的,如S為陽離子基團活性中心的兩性錶面活性劑。其耐硬水、鈣分散能力較強,與其他各類型的乳化劑有良好的配伍性,但價格較高。除甜菜鹼型乳化劑外,錶面活性劑的性質一般與溶液的pH值有關。

  4.非離子乳化劑

  非離子乳化劑大多是由環氧乙烷與帶活潑氫的化合物(如酚、醇、羧酸、胺等)反應得到的,其活性不僅與疏水烷基有關,還與聚氧乙烯鏈的長短有關。它具有高錶面活性、穩定性以及良好的乳化能力,與其它乳化劑及其助劑的配伍性較好,並對金屬離子有一定的螯合作用。它的活性與溶液的pH值無關,在轉相點(phase inversion temperature,PIT)形成的乳液最穩定。一般有C12 − 18的脂肪醇和C8 − 10的烷基酚的環氧乙烷加成物是優良的乳化劑,環氧數低於5~6的為油溶性的。常用的烷基酚聚氧乙烯醚的烴基一般含有C8C20,氧化乙烯的含量在85%~99%左右,並且常與其它類型的乳化劑複合使用。

乳化劑的應用[2]

  一千年以前人們對油水乳化現象就有所認知,直到近代工業興起,乳化劑的應用才得到了進一步發展。工業加工技術日益成熟的今天,乳化劑在生活、生產中已無處不在,廣泛地應用在食品、材料合成、養殖、日化等行業,並有著廣闊的前景。

  1.乳化劑在食品行業的應用

  乳化劑食品行業中常用作食品添加劑。它一方面在原料混合、融合等加工過程中起乳化、分散、潤滑和穩定作用,另一方面起著提高食品品質和穩定性的作用。乳化劑用於麵包製造主要是維持麵包鬆軟的口感,防止澱粉老化,在此過程中乳化劑與澱粉的相互作用及效果受到澱粉類型和乳化劑鏈長、結構、晶型及水分、溫度等因素的影響。乳化劑用於冷食品製造主要是提高產品的膨脹率,對其研究主要集中在提高漿料的乳化效果上,通常複合乳化劑乳化效果優於單一的乳化劑。乳化劑用於乳製品加工主要是製作人造奶油,在此過程中單一乳化劑較難滿足晶體穩定性要求,採用複合乳化劑還能解決全牛油基人造奶油的起砂問題。

  2.乳化劑在材料合成行業的應用

  乳化劑在材料合成行業的應用主要是利用它進行乳液聚合合成塗料、粘合劑等產品。尋找性能穩定、價格低廉的高效乳液聚合劑是該行業乳化劑的研究發展方向。例如在粘合劑的合成中,聚丙烯酸酯粘合劑的廣泛應用就是由於丙烯酸酯類乳液粘合劑的聚合必須在低分子量錶面活性劑的條件下使聚合物分散在水中,從而造成了一部分游離乳化劑殘留在聚合物中,降低了乳液粘合劑在基材錶面的附著力。為瞭解決此問題並有效防止成膜後乳化劑的遷移,能夠提高塗膜的耐水性和附著力的可聚合乳化劑得到了進一步研究。此外,在材料合成中,環保型反應性乳化劑作為傳統乳化劑的替代品得到進一步應用,例如乳化劑SR-10不僅乳化能力強、環保性能優良、符合各種物性要求並具有較低的起泡性等優點 。

  3.乳化劑在養殖行業的應用

  乳化劑在養殖行業主要用於養殖飼料的改性。在畜禽水產養殖中,為了加快動物的生長速度、提高動物的生產性能、降低料肉比,在飼料中普遍使用乳化油脂。這樣一來,消化高比例的油脂所需要的膽汁酸鹽量超過了畜禽體內的分泌量,造成飼料不消化及脂肪在肝髒的積累。為此,選擇適合的飼料乳化劑成為乳化劑在養殖行業應用中的關鍵。目前在畜禽水產養殖中使用較多的是離子型的膽汁酸鹽類和卵磷脂類乳化劑,這類乳化劑主要功能是保肝利膽、調節肉質,但其乳化效果並不理想。而非離子型飼料乳化劑能取得更高的乳化性,如單硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯等。同時,能夠加速油脂裂解的脂肪酸酶作為添加劑加入到飼料乳化劑中的應用也逐漸增多。

  4.乳化劑在日化行業的應用

  在日化行業中乳化劑被廣泛應用在洗護產品及化妝品中。使用到的乳化劑包括天然錶面活性劑和人工合成錶面活性劑兩種。前者來自動植物體,為較複雜的高分子有機物,通常具有較高的黏度,易於乳化穩定且無刺激、無毒副作用,如卵脂酸、膽甾醇、羊毛脂、茶皂素等。後者通常為固體顆粒乳化劑,在分散相液滴錶面形成一層薄膜阻止液滴之間的聚集而制得穩定的油/水分散相,主要用作無化學乳化劑的抗過敏配方及防曬產品配方化妝品的添加劑。由於固體顆粒具有超細的粒徑(小於200nm),因此具有很好的皮膚耐受性,相對於傳統的錶面活性劑而言刺激性大大降低。此外,由於固體顆粒乳化體系的穩定性不受油脂性質的影響,護膚產品可以更寬範圍地選擇油脂以製備出性能更佳、更穩定的產品。

  5.乳化劑在其他行業的應用

  在軍事工業中乳化劑常被添加到炸葯中製作乳化炸彈。通常由不溶於水的碳氫燃料作為連續相,以過飽和硝酸銨鹽水溶液作為分散相,通過乳化劑的乳化作用,硝酸銨鹽水溶液以極小的液滴分散在碳氫燃料中形成一種油包水特殊乳膠體系。由於乳化炸葯是熱力學高度不穩定體系和不可逆體系,乳化劑的作用在於大幅度降低油水界面張力,在界面形成界面膜使內相的硝酸銨液滴難以聚結,從而提高乳化炸葯的穩定性。

  在礦石浮選中乳化劑用於煤泥、金屬礦、非金屬礦的浮選中對浮選劑進行改進。由於在浮選過程中,浮選劑的乳化分散程度對其使用效率及浮選效果有著重要的影響,因此乳化劑的加入有助於提高浮選機的捕集性能,大大降低浮選劑的消耗量。將乳化劑添加到水、甲醇和柴油的混合體系中制得的微乳化柴油和普通柴油相比,具有更好的燃燒性能、更低的能耗、更少的污染。將具有一定乳化能力的生物柴油添加到石化柴油中不僅可以促進可再生能源行業的發展、降低排放、提高燃油的環保性能,還有利於燃油的乳化,提高燃燒率,降低能耗。

參考文獻

  1. 第三章 面制食品工藝.食品工藝學.河南農業大學精品課程
  2. 2.0 2.1 王宇.乳化劑的作用機理及其應用[J].山東化工,2012(3)
  3. 王長安,吳育良,郭敏怡,陳鳴才.乳化瀝青及其乳化劑的發展與應用[J].廣州化學,2006(1)
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