新型表面活性劑的研究進(jìn)展

王 曼，強(qiáng)新新，王 平，劉美娜，梅曉丹

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新型表面活性劑的研究進(jìn)展

王 曼，強(qiáng)新新，王 平*，劉美娜，梅曉丹

（大連百奧泰科技有限公司，遼寧 大連 116025）

本文從結(jié)構(gòu)和性能等方面介紹了幾種新型表面活性劑，論述其應(yīng)用領(lǐng)域以及在工業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對(duì)目前新型表面活性劑存在的問題，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

新型表面活性劑；應(yīng)用；展望

表面活性劑是一類重要的精細(xì)化學(xué)品，具有潤(rùn)濕或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗滌、防腐、抗靜電等作用，因此在工業(yè)和生活的各領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

近年來，傳統(tǒng)類型的表面活性劑存在表面活性不高，增溶、協(xié)同作用差，及不易形成膠束等缺點(diǎn)，不能滿足目前工業(yè)應(yīng)用上更高的需求[1]，因而一些具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的新型表面活性劑被相繼開發(fā)出來。本文將從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能介紹幾種新型表面活性劑，并對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)兩方面展開論述。

1 新型表面活性劑的研究熱點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的不同，新型表面活性劑主要分為以下七種類型。

1.1 Gemini型表面活性劑

Gemini型表面活性劑是指由兩個(gè)親水基團(tuán)和兩個(gè)親油基團(tuán)在其親水頭基處或靠近親水頭基處由一連接基團(tuán)通過化學(xué)鍵連接而成的新型表面活性劑，如圖1。

Gemini型表面活性劑其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以有效地阻止離子頭基同名電荷的排斥作用，使極性基排列更加緊密，并不改變離子頭基的親水特性，從而大幅度降低表面能，是一種表面性能優(yōu)越的新型表面活性劑[2]。與傳統(tǒng)的表面活性劑相比，其具有較高的表面活性，較低的臨界膠束濃度，更好的潤(rùn)濕能力、起泡能力和獨(dú)特的流變性能[3,4]，這些特性已引起人們的關(guān)注。張光華等[5]通過甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，環(huán)氧氯丙烷，十二烷基叔胺，十四烷基叔胺和十六烷基叔胺合成了3種反應(yīng)型陽離子Gemini表面活性劑，并驗(yàn)證了合成的這3種表面活性劑具有較高的表面活性和較好的乳化性能。

圖1 Gemini表面活性劑的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 Bola型表面活性劑

Bola型表面活性劑由一個(gè)疏水基連接兩個(gè)親水部分構(gòu)成的兩親化合物，其結(jié)構(gòu)如圖2。1951年，F(xiàn)uoss將具有這種特殊結(jié)構(gòu)兩親化合物稱為bolaform electrolyte，從此，Bola成為該類表面活性劑的簡(jiǎn)稱。

Bola型表面活性劑在降低水表面張力的能力方面較差，同時(shí)在溶液表面的面積是同等條件下相應(yīng)的經(jīng)典表面活性劑所占面積的兩倍或更大，這可能是由于Bola分子具有兩個(gè)親水基，表面吸附分子在界面采取倒U型構(gòu)象造成的。Bola型表面活性劑cmc較高，Krafft點(diǎn)較低，常溫下具有較好的溶解性。

圖2 Bola型表面活性劑的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 生物表面活性劑

生物表面活性劑是微生物或植物在生長(zhǎng)過程中，分泌出具有兩親結(jié)構(gòu)的化合物。其可以吸附于界面、改變界面的性質(zhì)。按照其親水基的類別，分為以下幾種：糖脂系生物表面活劑，?；s氨酸系生物表面活性劑，磷脂系生物表面活性劑和其他生物表面活性劑。

生物表面活性劑的特性是：微生物的代謝產(chǎn)物；較低的臨界膠束濃度；低毒甚至無毒；生物相容性好；具有較高的起泡性[6,7]。利用生物表面活性劑進(jìn)行原油污染修復(fù)，提高石油回收率以及應(yīng)用到食品、醫(yī)藥和生物工程等方面都成為研究的熱點(diǎn)[8]。

1.4 反應(yīng)型表面活性劑

反應(yīng)型表面活性劑是指包含親水基、親油基和反應(yīng)基團(tuán)的化合物，它能與所吸附的基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而成為基體的一部分。反應(yīng)型表面活性劑能參與化學(xué)反應(yīng)，而且反應(yīng)后也不損失其表面活性[9]。

反應(yīng)型表面活性劑已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于乳液、溶液、分散、無皂聚合以及功能性高分子材料的制備等各方面，不但可以顯著提高產(chǎn)品的性能，而且還可以研制出新型產(chǎn)品[10]。

1.5 螯合型表面活性劑

螯合型表面活性劑是一類具有螯合金屬離子功能的表面活性劑，由一個(gè)長(zhǎng)鏈烷基或酰基和幾個(gè)相鄰的離子親水基構(gòu)成，如N-?；鵈D3A。螯合型表面活性劑同時(shí)兼具了表面活性和螯合性的特性，并且生物易降解，具有良好的環(huán)境兼容性[11]。

1.6 可解離型表面活性劑

可解離型表面活性劑是可以在完成其應(yīng)用功能之后，通過酸、堿、鹽、熱或光的作用，被分解成不具有表面活性的物質(zhì)或轉(zhuǎn)變成具有表面活性的新化合物的一類表面活性劑。

目前，已經(jīng)被人們所熟知的該類表面活性劑的特點(diǎn)主要有：易于被分解和生物降解；分解后易于去除；可能產(chǎn)生具有新功能的解離產(chǎn)物。

1.7 冠醚類表面活性劑

冠醚類表面活性劑是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的大環(huán)多醚化合物，以冠醚作為親水基團(tuán)，以冠醚環(huán)上連接的長(zhǎng)鏈烷基、苯基等作為憎水基團(tuán)。

冠醚的親水基不帶有羥基，親水性下降，隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加，CMC降低，表面活性也降低，潤(rùn)濕和起泡性能增加。冠醚類表面活性劑具有與金屬離子絡(luò)合的作用，形成可溶于有機(jī)溶劑相的絡(luò)合物，可以用作生物膜、離子選擇電極、相轉(zhuǎn)移催化劑等[12,13]。

2 新型表面活性劑的工業(yè)應(yīng)用

2.1 石油開采

利用新型表面活性劑提高原油采收率，一直是石油領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿課題。在油氣田開采過程中，傳統(tǒng)表面活性劑作為驅(qū)油劑的效率較低，同時(shí)細(xì)菌腐蝕也會(huì)影響原油產(chǎn)量，而普通殺菌劑的長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，這些都成為影響原油采收率的障礙。新型表面活性劑由于自身獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能，可顯著提高驅(qū)油效率和殺菌效果，有效的解決了這些難題。

范海明等[14]研究發(fā)現(xiàn)Gemini表面活性劑/HPAM/堿三元復(fù)合體系可以降低油水界面張力和黏彈性能，能夠在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率20%以上。寧春瑩等[15]發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌所產(chǎn)表面活性劑在高溫、高礦化度以及高堿度的條件下仍具有較高的表面活性和乳化能力，并且物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)提高采收率8%以上。

2.2 海洋原油處理

海洋上石油污染常被忽視，從而導(dǎo)致石油溢出時(shí)常發(fā)生，造成海灘，海洋生物和海岸線的損害，因此海洋石油污染是一個(gè)緊迫的環(huán)境問題[16]。利用生物技術(shù)處理石油污染物，是一種經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益俱佳的手段。生物表面活性劑不僅可以促進(jìn)石油烴的乳化，提高石油烴在水中溶解度及生物可利用性，而且低毒，易于生物降解[17]。目前，被報(bào)導(dǎo)的可以利用原油產(chǎn)生生物表面活性劑的細(xì)菌有食烷菌、海桿菌、迪茨氏菌等[18]。

Darvishi等[19]從重油污染土壤中分離出陰溝腸桿菌和假單胞菌，通過培養(yǎng)產(chǎn)生的生物表面活性劑對(duì)降解石油烴類物質(zhì)有較好的效果。

2.3 涂料

在涂料行業(yè)，表面活性劑作為助劑成為涂料中不可或缺的重要組成部分，其主要的作用有以下幾點(diǎn)：1、加工過程中提高研磨效率，避免產(chǎn)生結(jié)皮：2、防止顏料凝聚的霉敗；3、施工過程中防止掛流；4、提高涂料的附著力；5、增加成膜過程中的光澤，防止浮色發(fā)花、縮孔；6、使涂層防霉、防污、防靜電等。

周海軍等[20]發(fā)現(xiàn)炔醇多功能表面活性劑可以有效解決體系的潤(rùn)濕性，控制體系的泡沫，提高涂膜的耐水性能，改善涂料的重涂性。

2.4 皮革生產(chǎn)

表面活性劑已經(jīng)成為皮革生產(chǎn)過程中必不可少的成分，廣泛的應(yīng)用于各道生產(chǎn)加工工序。皮革生產(chǎn)中使用的新型表面活性劑除了具有經(jīng)典表活的優(yōu)異性，更增加了皮革的耐磨、耐干、阻燃等優(yōu)良性能[21]。

2.5 其他方面

劉萍萍等[22]人發(fā)現(xiàn)Bola型表面活性劑對(duì)陽離子染料腈綸具有顯著的緩染作用，且不影響染料的最終上染百分率。呂文杰[23]等人通過對(duì)Gemini表面活性劑和聚電解質(zhì)相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)由于二者之間的強(qiáng)烈相互作用，能夠使聚電解質(zhì)鏈從污泥絮體表面脫落，以及Gemini表面活性劑的存在，阻斷水分子與聚電解質(zhì)鏈的結(jié)合，釋放出水，從而提高污泥的脫水程度。

3 新型表面活性劑的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 綠色化

表面活性劑的應(yīng)用已經(jīng)深入到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，因此，對(duì)于新型表面活性劑綠色化的研究十分重要。新型表面活性劑的綠色化主要是反應(yīng)物、反應(yīng)過程以及反應(yīng)產(chǎn)物的綠色化，即在無毒、無害的條件下進(jìn)行反應(yīng)，使用無毒無害或可再生的原料，減少廢物向環(huán)境排放，生產(chǎn)出具有安全、能降解、可再利用的產(chǎn)物。

3.2 優(yōu)質(zhì)化

表面活性劑的品種和產(chǎn)量的增加，使市面上的產(chǎn)品魚龍混雜。這對(duì)表面活性劑科研院所和生產(chǎn)商既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)要靠科技來不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量，簡(jiǎn)化合成的路線，降低生產(chǎn)成本，才能更好的為未來服務(wù)。

3.3 多樣化

終端產(chǎn)品制造商對(duì)表面活性劑的要求與日俱增，因此研究者們應(yīng)選用特殊的表面活性劑或助劑來增強(qiáng)產(chǎn)品的某些功能，或開發(fā)具有新功能的表面活性劑，使產(chǎn)品之間形成差異化，從而拓寬表面活性劑的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)表面活性劑相比，新型表面活性劑具有成膠束能力強(qiáng)，cmc值低，降低表面張力效率高，水溶、增溶性好，與其他表面活性劑的配伍性好，環(huán)境相容性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)及理論研究均具有重大的意義。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日益完善，綠色化、多樣化和優(yōu)質(zhì)化的新型表面活性劑將具有更廣闊的發(fā)展前景。

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Research Progress of New Surfactants

,,,,

（Dalian BITeomics, Inc, Liaoning Dalian 116025, China）

The characteristics of new surfactants and their application in industry were discussed from the aspects of research hotspots and application fields. Existing problems in application of new surfactants were analyzed; the development trend of new surfactants was prospected.

new surfactant; application; prospect

TQ423.9

A

1004-0935（2017）03-0256-04

2016-12-21

王曼，女，碩士，山東省菏澤市人，2016年畢業(yè)于天津科技大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：從事油田用劑研究開發(fā)工作。

王平（1978-），女，中級(jí)，博士，研究方向：主要從事油氣田開發(fā)及提高采收率方法。郵箱：wangping@biteomics.com。