油水冤家，相逢一笑——迷人的“雙親分子”

油水相斥，千古如此。千百年來(lái)，人們從這種相斥中獲得了靈感，使油水分離技術(shù)、石版印刷術(shù)、超疏水性服飾材料等產(chǎn)品和技術(shù)相繼應(yīng)運(yùn)而生。

難道說(shuō)油與水就只能老死不相往來(lái)嗎？其實(shí)，讓油與水和諧相處并不是一個(gè)無(wú)解的問(wèn)題。現(xiàn)在，被廣泛使用的“雙親分子”就是讓油與水和諧相處的重要“媒介”。為什么“雙親分子”能讓油與水“化敵為友”？“雙親分子”能為我們的生活帶來(lái)哪些精彩？

油水相斥，藏在“基因”里的“邏輯”

為什么油水相斥？我們通常所說(shuō)的“相似者相溶”，意思是只有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似的物質(zhì)才能相互溶解。就拿水和油來(lái)說(shuō)，由于它們具有不同的分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，無(wú)法互溶也是情理之中的事情。

就分子結(jié)構(gòu)來(lái)講，水是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成的極性分子，氧原子帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷，而氫原子帶有較弱的正電荷。這種不均勻的電荷分布導(dǎo)致了氫鍵的形成，使得水分子能夠互相吸附而形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，并使得水分子具有較高的表面張力和黏附力。

油是非極性分子，通常由碳?xì)浠衔锝M成。由于這些油分子中沒(méi)有明顯的電荷不對(duì)稱，因此其相互作用主要為范德華力，這種作用力要比氫鍵弱得多?；谶@樣的結(jié)構(gòu)差異，水分子更傾向于與具有相似極性的分子相互作用，而對(duì)油類非極性分子是排斥的；而油分子的非極性特征也使其無(wú)法與水分子有效作用，從而使油水相斥成為一種常態(tài)。

就其物理性質(zhì)而言，在一般條件下，油的密度要小于水，這就決定了油水混合時(shí)油會(huì)浮到水面上，而不是與水形成均勻的混合物。這種分層現(xiàn)象則更加凸顯了油水之間的不相容性。

看來(lái)，油水相斥的根本原因在于結(jié)構(gòu)方面的差異：與誰(shuí)相容或相斥，是由刻在“基因”里的“邏輯”決定的。那么，如何讓油與水和諧相處呢？

我們不妨從化學(xué)結(jié)構(gòu)上尋求突破，比如把“親水基因”和“疏水基因”（親油）裝到一個(gè)化合物當(dāng)中，是不是就可以使其兼具親水和親油特征呢？事實(shí)上，在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用的表面活性劑就是這樣的一類“雙親分子”。

“雙親分子”又被稱為“兩親分子”或“雙親化合物”，屬于表面活性劑物質(zhì)。從構(gòu)成上來(lái)說(shuō)，“雙親分子”是一類同時(shí)含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的化合物。

“雙親分子”，創(chuàng)造自然界的精彩

從生物學(xué)功能到工業(yè)化應(yīng)用，“雙親分子”都占有極其重要的地位。由于具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，“雙親分子”不僅可以參與生物體內(nèi)的許多生理過(guò)程，還在諸多行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了我們的生活質(zhì)量和品味。

就從生物體內(nèi)的“雙親分子”說(shuō)起吧。作為細(xì)胞膜的主要成分，磷脂對(duì)于維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能具有重要的作用。實(shí)際上，磷脂就是一種“雙親分子”，其親水基通常包含一個(gè)磷酸基團(tuán)和一個(gè)含氮化合物（如膽堿等），這些基團(tuán)使磷脂能夠與水分子相互作用。其疏水基則通常由兩個(gè)脂肪酸鏈構(gòu)成，這些疏水鏈嵌入細(xì)胞膜可以形成一個(gè)疏水的內(nèi)層，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)部免受外界環(huán)境的干擾。磷脂分子的兩親性結(jié)構(gòu)提供了必要的通透性屏障，以支持各種生物學(xué)功能。

在自然界廣泛存在的甾醇化合物，可以分為動(dòng)物甾醇和植物甾醇兩大類。甾醇也是一種“雙親分子”，在調(diào)節(jié)生物膜的流動(dòng)性和通透性方面起著關(guān)鍵作用。甾醇的親水基主要是羥基部分，而疏水基主要由固醇核和側(cè)鏈構(gòu)成。親水基能夠與周圍的水分子形成氫鍵，使得甾醇分子能夠與細(xì)胞膜中的水相環(huán)境相作用。疏水基團(tuán)則可以通過(guò)范德華力與膜中的其他疏水分子相互作用，有助于增強(qiáng)膜的內(nèi)部穩(wěn)定性。

生物界的雙親分子還有很多，它們給我們帶來(lái)了哪些啟示呢？我們能否設(shè)計(jì)制造出結(jié)構(gòu)獨(dú)特、功能各異的“雙親分子”來(lái)造福人類呢？回答是肯定的！事實(shí)上，人類已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了種類繁多、功能齊全的“雙親分子”大家族，使其在水性環(huán)境和脂性環(huán)境中表現(xiàn)得游刃有余，并為我們的生活創(chuàng)造更多的精彩。

何去何從，關(guān)鍵要看HLB參數(shù)

在“雙親分子”的大家族中，許多成員被應(yīng)用于不同的生產(chǎn)和生活場(chǎng)景。雖然它們同屬于表面活性劑大類，但它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)、作用機(jī)制有所不同，自然就會(huì)有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合和名稱。比如，雖然“雙親分子”具有親水、親油的特性，但是它們親水、親油的相對(duì)強(qiáng)弱不盡相同。在應(yīng)用實(shí)踐中，親水、親油平衡值（HLB）就是一個(gè)理解和應(yīng)用表面活性劑的關(guān)鍵指標(biāo)。

作為一個(gè)描述表面活性劑親水性和親油性平衡程度的重要參數(shù)，親水、親油平衡值最初由格里菲于1949年提出。他提出用HLB值來(lái)衡量非離子型表面活性劑親水性和親油性的相對(duì)強(qiáng)弱，并設(shè)定完全疏水的石蠟（無(wú)親水基）的HLB值為0，完全親水的聚乙二醇（無(wú)疏水基）的HLB值為20。因此，非離子型表面活性劑的HLB值的范圍為0～20。此后，人們又將HLB數(shù)值化方法推廣至離子型表面活性劑，并將十二烷基硫酸鈉的HLB值定為40，因此離子型表面活性劑HLB值的范圍為1～40。HLB值越高，表面活性劑越親水；HLB值越低，則越親油。

洗滌用品，我們身邊的“常客”

“長(zhǎng)安一片月，萬(wàn)戶搗衣聲?！毕匆伦怨庞兄侨藗兩钪械囊豁?xiàng)重要活動(dòng)。不過(guò)古人的“搗衣”，只不過(guò)是洗衣過(guò)程中的一道工序而已?！皳v衣”的意義在于為衣物提供一個(gè)機(jī)械作用，這與現(xiàn)代洗衣機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)有異曲同工之妙。而去除衣物上的油污靠的是表面活性劑，也就是我們所說(shuō)的“雙親分子”。

有人說(shuō)，古代沒(méi)有洗滌劑不也照樣洗衣嗎？古代雖然沒(méi)有現(xiàn)代意義上的洗滌劑，但并不意味著沒(méi)有原始的天然活性劑。其實(shí)，古人也在實(shí)踐中因地制宜地使用了一些洗滌劑進(jìn)行洗衣。比如，在某些地區(qū)，人們選用肥皂草和皂樹的根或果實(shí)來(lái)提取天然皂，并進(jìn)行衣物洗滌。天然皂就是一類表面活性劑，因其同時(shí)含有親水基和親油基而具有清潔作用。

天然皂的親油基主要由長(zhǎng)鏈脂肪酸構(gòu)成，這些長(zhǎng)鏈脂肪酸在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有非極性特征，使得它們能夠與油脂和污垢中的非極性成分相容。天然皂的親水基通常為羧酸鈉或羧酸鉀等成分，能夠與水分子形成氫鍵而增強(qiáng)其水溶性。

當(dāng)天然皂溶解在水中時(shí)，其親油基會(huì)與水介質(zhì)中的油脂及污垢相互作用而將其包圍起來(lái)，借助水的力量把親油基包圍的污垢帶走而完成清潔過(guò)程。

現(xiàn)代生活中的洗滌劑品種之多、功能之全，遠(yuǎn)非昔日能比。洗滌劑的主要成分為表面活性劑、助洗劑和添加劑等，其中的表面活性劑是其核心成分。表面活性劑分子中的疏水基團(tuán)會(huì)與油污結(jié)合，而親水基團(tuán)則與水分子結(jié)合，從而使油污從被清洗衣物上脫離并懸浮在水中。通常洗滌劑的HLB值較高（約13～16），主要是增強(qiáng)其親水性，有助于油脂和污漬的去除。

誕生于20世紀(jì)30年代的十二烷基苯磺酸鈉，無(wú)疑是洗滌劑行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。十二烷基苯磺酸鈉在現(xiàn)代洗滌劑產(chǎn)品中占有重要的地位，它不僅開啟了合成洗滌劑大規(guī)模生產(chǎn)的新紀(jì)元，還為現(xiàn)代洗滌劑產(chǎn)品的進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。作為一種陰離子表面活性劑，十二烷基苯磺酸鈉具有良好的洗滌能力，泡沫比較豐富，生物降解性也較好。

十二烷基苯磺酸鈉不僅被用于家用清洗和工業(yè)清洗，還被用作抗靜電劑、乳化劑和分散劑等；不僅在洗滌劑市場(chǎng)上表現(xiàn)出色，還被廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)、日化工業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。

泡起泡落，“魔變”背后的訴求

作為一類多相分散體，泡沫由氣體（分散相）在液體或固體（連續(xù)相）中分散而形成。其中，氣體在液體中的分散是基礎(chǔ)，這可以通過(guò)物理攪拌、振動(dòng)或者化學(xué)反應(yīng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，“雙親分子”也直接影響著泡沫的起落。

要知道，泡沫也有兩面性。比如，泡沫在食品中的地位非常特殊，不僅影響外觀還會(huì)影響口感，像啤酒、香檳酒、冰淇淋、充氣糖果等都需要泡沫來(lái)“捧場(chǎng)”。然而，某些產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中會(huì)不可避免地產(chǎn)生泡沫，不僅影響生產(chǎn)過(guò)程的效率，還影響設(shè)備的使用壽命。因此，有時(shí)我們又需要消除泡沫的影響。那么，影響泡沫起落的“雙親分子”有哪些呢？

起泡劑 起泡劑是一類能降低水的表面張力從而形成泡沫的表面活性劑。起泡劑特殊的分子結(jié)構(gòu)使其既有親水的特性也有疏水的特性，當(dāng)其吸附在空氣或氣體與液體的界面上時(shí)就會(huì)形成泡沫。起泡劑分子中的親水基和疏水基的比例和特性，決定了起泡能力以及泡沫的穩(wěn)定性。

在許多工業(yè)領(lǐng)域，這些穩(wěn)定的泡沫具有不可或缺的重要作用，如礦物浮選、污水處理、食品加工、消防滅火和石油開采等，都需要借助泡沫來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。如在礦物浮選中，起泡劑能夠提高有用礦物的回收率，并減少化學(xué)品的用量；在消防領(lǐng)域，起泡劑快速形成的泡沫層能夠覆蓋住燃料，從而達(dá)到隔絕空氣、撲滅火災(zāi)的目的。

穩(wěn)泡劑 穩(wěn)泡劑是用于增強(qiáng)和延長(zhǎng)泡沫穩(wěn)定性的一類表面活性物質(zhì)?？梢岳梅€(wěn)泡劑來(lái)提高泡沫的穩(wěn)定性，從而達(dá)到延長(zhǎng)泡沫壽命的目的。例如，在消防滅火中，鑒于泡沫層在隔絕火源空氣中的重要地位，穩(wěn)泡劑的應(yīng)用至關(guān)重要。在洗滌劑中添加一定量的穩(wěn)泡劑，則可以產(chǎn)生豐富的泡沫效果，這對(duì)于提高洗滌效果和改善用戶體驗(yàn)具有重要的意義。在油田開發(fā)中合理使用穩(wěn)泡劑，不僅可以提高原油的采收率，還可以通過(guò)穩(wěn)定泡沫來(lái)減少油井中的水含量。食品工業(yè)中，在制作面包、蛋糕等烘焙食品時(shí)通常也會(huì)使用穩(wěn)泡劑，從而使面團(tuán)中的氣泡均勻穩(wěn)定，賦予產(chǎn)品細(xì)膩的質(zhì)地和良好的口感。在混凝土和石膏等建筑材料的生產(chǎn)過(guò)程中，使用穩(wěn)泡劑可以提高泡沫的均勻性和穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品的輕質(zhì)化水平以及隔熱隔音效果。

消泡劑 消泡劑是一種用于降低和防止液體中泡沫形成的表面活性劑。泡沫的存在有其消極的一面，如在紡織印染、廢水處理、食品加工、制藥工業(yè)、造紙工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、化妝品工業(yè)以及洗滌劑生產(chǎn)等行業(yè)，泡沫的存在往往會(huì)影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。合理使用消泡劑可以降低液體的表面張力，從而破壞和抑制泡沫的形成，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

似曾相識(shí)，換了馬甲的“雙親分子”

在生產(chǎn)和生活中，我們都離不開“雙親分子”。然而，由于它們往往被披上了不同的“馬甲”，我們盡管與其朝夕相伴卻渾然不知。讓我們一起走進(jìn)帶著馬甲的“雙親分子”世界，去一睹它們別樣的風(fēng)采。

從飲食中的冰淇淋到奶油蛋糕，從日常生活中的洗漱品到洗滌制劑，從保健用品中的護(hù)膚品到美容產(chǎn)品……“雙親分子”在我們生活中幾乎無(wú)處不在。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保、石油等諸多行業(yè)，“雙親分子”的應(yīng)用也十分廣泛。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，“雙親分子”往往都有特定的名稱。

乳化劑 乳化劑被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、化妝品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)，用以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和質(zhì)感。乳化劑能夠改善乳化體系中各構(gòu)成相之間的表面張力，從而形成均勻的分散體或乳化體。在食品工業(yè)中，乳化劑是極其重要的食品添加劑，在焙烤類、飲料類、甜品類等食品中都有應(yīng)用。

破乳劑 破乳劑主要用于破壞乳液的穩(wěn)定性，促使乳液分離成水相和油相。破乳劑在石油化工、污水處理和食品加工等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。破乳劑分子具有的親水和親油基團(tuán)，能夠?qū)谷橐褐械谋砻婊钚詣?，從而減少乳滴的表面電荷和界面張力，達(dá)到油與水分離的目的。

抗靜電劑 抗靜電劑主要用于減少或消除物體表面的靜電，以降低火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。抗靜電劑通常在塑料工業(yè)、纖維工業(yè)、石油工業(yè)和電子工業(yè)中應(yīng)用廣泛?？轨o電劑通常含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)，親水基團(tuán)吸附空氣中的水分可以形成導(dǎo)電層，有助于靜電的泄漏。抗靜電劑在塑料工業(yè)中可防止吸塵和電擊，在紡織工業(yè)中可提高紡織纖維的舒適性，在石油工業(yè)中可降低火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，在電子行業(yè)中可使敏感電子元件免受靜電損害。

分散劑 分散劑是一類用于促進(jìn)物質(zhì)分散穩(wěn)定性的“雙親分子”，在染料工業(yè)、涂料工業(yè)、陶瓷工業(yè)、石油開采、農(nóng)藥工業(yè)、造紙工業(yè)等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。分散劑的主要作用是提高物質(zhì)的分散性、穩(wěn)定性和加工性，有助于提升產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。分散劑通常具有特定的親水和疏水基團(tuán)，從而被吸附在物質(zhì)顆粒的表面，防止顆粒之間的聚集。當(dāng)然，分散劑還可以通過(guò)靜電排斥等效應(yīng)來(lái)維持分散體系的穩(wěn)定性。

令人青睞的“雙親分子”以其獨(dú)特的性能在我們的日常生活和現(xiàn)代工業(yè)體系中扮演了極其重要的角色。如今，“雙親分子”不但已滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪兄T如洗滌劑、化妝品、食品、醫(yī)療藥品等消費(fèi)之中，而且在紡織、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、材料、造船、土建、采礦等行業(yè)大顯身手。

未來(lái)，“雙親分子”前途光明，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。只有在綠色化、環(huán)保性、高性能、可持續(xù)的道路上不斷取得新突破，“雙親分子”才能搶占生物醫(yī)藥、納米技術(shù)、智能材料等前沿陣地，從而為人類生活創(chuàng)造更多的精彩。

【責(zé)任編輯】蒲 暉