含磺酸基多头基表面活性剂的合成及表面聚集性能研究

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阴离子表面活性剂相比于其它类型的表面活性剂的发展具有历史久、制备成本较低、表面活性好、种类繁多、应用需求大的特点。随着工业水平的快速提升,工业生产中对表面活性剂的具体效能有了更高的期待。如在大型印染、清洗等工业领域中,其低泡及抑泡性能受到重视。大量泡沫的产生将会导致生产工艺难以控制、原料浪费、易残留、难漂洗等现象,因此低泡产品有着较大的应用前景。一个多头基表面活性剂分子中具有多个亲水基团,较传统表面活性剂而言,其具有独特的聚集性能、表面性能,在众多领域有着广泛的应用前景。本文以脂肪伯胺、N-氢化牛脂基-1,3-丙撑二胺、1,3-丙烷磺酸内酯、丙烯酸、丙烯酰胺、氢氧化钠等为主要原材料,合成了一系列新型具有多个亲水头基的低泡型阴离子表面活性剂,研究了其聚集行为、泡沫性能及乳化性能等等。主要研究工作为:(1)含羧酸钠磺酸钠双头基表面活性剂的合成及性能研究:采用三步反应合成了 4个新型目标产物。首先采用脂肪伯胺(CxH2x+1NH2,x=12,14,16,18)与1,3-丙烷磺酸内酯反应,得到反应中间体N-丙磺酸基烷基胺(SA1-x,x=12,14,16,18);反应中间体SA1-x再与丙烯酸反应,得到反应中间体N,N-丙磺酸基丙酸基烷基叔胺(SA2-x,x=12,14,16,18);反应中间体SA2-x再与氢氧化钠反应,得到产物N,N-丙磺酸钠丙酸钠烷基叔胺(TA1-x,x=12,14,16,18)。产物TA1-12、TA1-14、TA1-16和TA1-18的产率分别为54.3%、54.5%、57.7%和56.4%。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、氢核磁共振光谱(1H NMR)、高分辨质谱(HRMS)对反应中间体SA1-x和产物TA1-x进行了结构表征,证明了其分子结构,为目标产物分子结构。通过铂金吊环法、电导率法、芘荧光光谱法测定了产物TA1-x的临界胶束浓度(CMC),并得出TA1-x的CMC值均处于10-4 mol/L级别。通过测定分析产物TA1-x在不同温度、不同浓度(c)下的电导率值(κ),得到k-c曲线、摩尔电导率(Λ)-c1/2曲线,研究了产物TA1-x的反离子结合度(β),计算了热力学函数ΔGmθ、ΔGmθ、ΔSmθ。产物TA 1-x在水溶液中的聚集过程为熵主导的自发放热过程,并存在预胶束化现象。通过动态光散射技术(DLS),发现10CMC的产物TA1-x聚集体的粒径处于50-200 nm及500-2000 nm范围内。通过分水实验和泡沫实验发现产物TA1-x的乳化能力较强,但起泡、抑泡能力都不高,属于低泡性表面活性剂。探讨了疏水碳链长度对TA1-x表面性能的影响规律。(2)含羧酸钠磺酸钠多头基表面活性剂的合成及性能研究:采用三步反应合成了两个新型目标产物。首先采用N-氢化牛脂基-],3-丙撑二胺与1,3-丙烷磺酸内酯反应,得到反应中间体N-氢化牛脂基-N’-丙磺酸基-1,3-丙撑二胺(SD1);反应中间体SD1再与丙烯酸反应,得到反应中间体N-氢化牛脂基-N’,N’-丙磺酸基丙酸基-1,3-丙撑二胺(SD2)、N,N-氢化牛脂基丙酸基-N’,N’-丙磺酸基丙酸基-1,3-丙撑二胺(SD3);反应中间体SD2、SD3分别再与氢氧化钠反应,分别得到产物N-氢化牛脂基-N’,N’-丙磺酸钠丙酸钠-1,3-丙撑二胺(TD1-1)及N,N-氢化牛脂基丙酸钠-N’,N’-丙磺酸钠丙酸钠-1,3-丙撑二胺(TD1-2)。产物TD1-1和TD1-2的产率分别为82.8%和92.7%。利用FTIR、1HNMR和HRMS对反应中间体和产物进行了结构表征,证明了其分子结构。通过铂金吊环法测定了产物的表面张力,在298.15 K下TD1-1和TD1-2的CMC分别为1.02×10-5、7.50×10-6 mol/L,在各自的CMC下的表面张力(γ)分别为48.6 mN/m和51.0 mN/m。通过测定分析产物TD1-1及TD1-2在不同温度、不同浓度下的电导率值,得到k-c曲线、Λ-c1/2曲线,研究了产物TD1-1、TD1-2的CMC、β,计算了热力学函数ΔGmθ、ΔHmθ、ΔSmθ,分析得到温度对TD1-1、TD1-2的CMC值影响较小。产物TD1-1和TD1-2在水溶液中的聚集过程为熵主导的自发放热过程,并存在预胶束化现象。通过芘荧光光谱、DLS技术,研究了 TD1-1和TD1-2的聚集性能,发现10CMC的产物TD1-1和TD1-2聚集体的粒径处于20-400 nm,在2000-6000 nm处也有少量分布。通过分水实验和泡沫实验发现产物TD1-1和TD1-2的乳化能力较强,但起泡、抑泡能力都不高,属于低泡性表面活性剂。探讨了亲水基数量对产物表面性能的影响,产物TD1-1、TD1-2的CMC较低。(3)含酰胺基磺酸基多头基表面活性剂的合成及性能研究:采用两步反应合成了一个新型目标产物。首先采用N-氢化牛脂基-1,3-丙撑二胺与1,3-丙烷磺酸内酯反应,得到反应中间体N-氢化牛脂基-N’-丙磺酸基-1,3-丙撑二胺(SD1);反应中间体SD1再与丙烯酰胺反应,得到产物N,N-氢化牛脂基丙酰胺基-N’,N’-丙磺酸基丙酰胺基-1,3-丙撑二胺(TD2)。产物TD2的产率为45.7%。利用FTIR等手段对产物TD2进行了结构表征,证明了其分子结构。通过铂金吊环法测定了产物TD2的表面张力,在298.15 K下TD2的CMC为1.74×10-5 mol/L,对应的γ为45.4 mN/m。通过测定分析产物TD2在不同温度、不同浓度下的电导率值,κ-c曲线、Λ-c1/2曲线,研究了其CMC、β,计算了ΔGmθ、ΔHmθ、ΔSmθ。分析得到温度对产物TD2的CMC值影响较小。产物TD2在水溶液中的聚集过程为熵主导的自发放热过程,并存在预胶束化现象。通过芘荧光光谱、DLS技术,研究了产物TD2的聚集性能,发现10CMC的产物TD2聚集体的粒径处于60-300 nm以及600-2000 nm范围内。通过分水实验和泡沫实验发现产物TD2的乳化能力较强,但起泡、抑泡能力都不高,属于低泡性表面活性剂。探讨了亲水基种类对产物表面性能的影响。
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