氟表面活性剂的结构与性能研究

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阳离子氟表面活性剂在氟表面活性剂的整个生产和应用中占据着十分重要的地位。目前,使用最为广泛的阳离子氟表面活性剂主要以电解氟化产物全氟烷基磺酰氟(CnF2n+1SO2F)、全氟烷基酰氟(CnF2n+1COF)为基础原料、分别与N,N-二甲基丙二胺[NH2(CH23N(CH32]反应,得到CnF2n+1SO2NH(CH2)N(CH32和CnF2n+1CONH(CH23N(CH32两种中间体,最后通过酸化或季铵化引入亲水基团,从而得到胺盐型和季铵盐型两大类阳离子氟表面活性剂。由于起始原料全氟辛基磺酰氟的成本要低廉得多,因而C8F7SO2NH(CH23N(CH32衍生的胺盐型和季铵盐型就成了应用最为广泛的两类阳离子型氟表面活性剂。由于该类型阳离子氟表面活性剂工业应用性较强,报道多为专利,公开发表的研究论文不多。其结构与性能关系方面的研究相对缺乏。本文以全氟辛基磺酰氟(C8F17SO2F)为基础,合成了四种N-[γ-(二烷基氨基)烷基]全氟辛基磺酰胺的盐酸盐[C8F17SO2NH(CH2nNHR2Cl-]和四种季铵盐[C8F17SO2NH(CH2nN+R2(CH3)I-]阳离子型氟表面活性剂。通过测定溶解性、表面张力、在石蜡表面的接触角、发泡力和泡沫稳定性,研究了这些阳离子氟表面活性剂在水溶液中的溶解性、表面活性、润湿性能及泡沫性能,其中C8F17SO2NH(CH22N(CH32HCl和C8F17SO2NH(CH22N(CH33I的溶解性较差导致表面活性、对石蜡表面的润湿性及起泡性很差。研究结果表明,这些阳离子氟表面活性剂的cmc和γcmc都很低,说明其表面活性都很高,在一定范围内改变中间碳氢间隔基的长度和亲水头基大小主要影响表面活性剂的水溶性,但对其表面活性影响较小,它们的润湿性能和泡沫性能均呈现相似的规律。原因可能是由于全氟辛基的强疏水性,其降低表面张力的能力和效率主要决定于氟碳链的长度,掩盖了中间碳氢间隔基的长度和亲水头基大小对其表面活性的影响。因此,选择该类型的阳离子氟表面活性剂时,可以不考虑端基基团的细微变化对性能的影响,工业上应用可以优先选择溶解性好,合成工艺比较成熟,成本较低的阳离子氟表面活性剂。继续研究了六氟丙烯三聚体衍生的阴离子型氟表面活性剂全氟壬烯氧基苯磺酸钠(C9F17OC6H4SO3Na,简称OBS)与反电性的碳氢表面活性剂——烷基季铵盐[CnH2n+1NR3Br (CnNR), n=8,10,12, R=CH3(M), CH2CH3(E)]的复配性能,结果表明,通过与CnNR复配,OBS的cmc和γcmc均大幅下降,达到了全面增效的结果。不同摩尔比的OBS–C8NE混合体系中,摩尔比为1:1时表面活性最好,cmc和γcmc均最小;偏离等摩尔比时,OBS过量时混合体系的cmc小于C8NE过量时混合体系的cmc,但γcmc相差不大。与单体系相比,OBS–C8NE混合体系的Γt m明显增大、Amin明显变小。OBS与不同疏水链长的CnNE复配时,cmc规律为: C8NE> C10NE> C12NE,表明CnNE疏水链长的增加能降低混合体系的cmc。通过比较CnNM和CnNE (n=8,10),发现混合体系中改变CnNR的头基大小对混合体系的表面活性无明显影响。
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