脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑合成工藝和性能研究

雷小英 史立文 鐘 凱 李伏益 葛 贊 劉煒康 洪 鄭 李幫國(guó)

（贊宇科技集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州，310009）

兩性表面活性劑具有刺激性低、耐硬水性好、適用范圍廣和優(yōu)良的生物降解性等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用研究仍在日益擴(kuò)大。脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿是一種溫和高效型的兩性表面活性劑，與傳統(tǒng)兩性表面活性劑相比，其分子中引入了酰胺基團(tuán)及更長(zhǎng)的碳鏈，具有良好的泡沫穩(wěn)定性、生物降解性、低毒性等，且因其性能優(yōu)異、安全性高、毒性低，對(duì)眼睛、皮膚的刺激性低，在日化行業(yè)被廣泛應(yīng)用于中高檔洗發(fā)香波、浴液、洗手液等洗滌化妝制品，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的表面活性劑[1-4]。今年來(lái)，隨著化工產(chǎn)品原料價(jià)格的高漲，消費(fèi)者和下游企業(yè)想尋求高性?xún)r(jià)比的甜菜堿表面活性劑。由于月桂基脂肪酰胺二甲基叔胺比豆蔻基的價(jià)格每噸低10 000多元，因此本文以月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺二甲基叔胺(簡(jiǎn)稱(chēng)PKO)、氯乙酸、液堿等為原料，利用正交試驗(yàn)考察了季胺化反應(yīng)的條件，優(yōu)化了工藝條件，并研究對(duì)比了兩種酰胺丙基甜菜堿的發(fā)泡性能、穩(wěn)泡性能以及乳化性能[5-8]，為企業(yè)及行業(yè)的后續(xù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

氫氧化鈉，分析純，杭州化學(xué)試劑有限公司；乙醇，分析純，杭州雙林化工試劑廠；丙酮、乙醚，均為分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；氮?dú)?，純?9.9%，杭州成豐氣體有限公司；月桂基酰胺二甲基叔胺、豆蔻基酰胺二甲基叔胺、氯乙酸，32%液堿均為工業(yè)品。

DW-2-220W電動(dòng)電子恒速攪拌器，鞏義市予華儀器有限公司；861離子色譜儀，瑞士萬(wàn)通離子色譜儀有限公司；K100表面張力儀（德國(guó)KRUSS公司）；21GKC恒溫水浴槽（上海蘇達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；R-2000動(dòng)態(tài)泡沫測(cè)試儀（德國(guó)SITA公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑的合成

依次將適量水、氯乙酸和32%液堿投入三口燒瓶中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，開(kāi)啟電動(dòng)攪拌器攪拌30 min后，接著再加入適量脂肪酰胺二甲基叔胺（簡(jiǎn)稱(chēng)PKO）升溫到指定溫度，反應(yīng)一定時(shí)間得到脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑產(chǎn)品。其反應(yīng)方式如下[7]：

其中，R為C11或C13

1.2.2 泡沫的起泡性實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)泡沫儀的測(cè)定泡沫條件為溫度(25±1) ℃，水硬度為250 mg/kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的活性物。自動(dòng)泡沫儀其他參數(shù)為溶液進(jìn)樣量250 ml；攪拌次數(shù)40次；攪拌時(shí)間10 s/次；轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

1.2.3 泡沫的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

按照1.2.2的方法，對(duì)兩種甜菜堿的穩(wěn)泡性能進(jìn)行測(cè)試。動(dòng)態(tài)泡沫儀參數(shù)：溫度25 ℃；溶液進(jìn)樣量250 ml；攪拌次數(shù)40次；攪拌時(shí)間10 s/次；轉(zhuǎn)速1000 r/min；穩(wěn)泡時(shí)間12 min。

1.2.4 乳化性能

采用分水時(shí)間法測(cè)定產(chǎn)物對(duì)液體石蠟的乳化能力，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的表面活性劑水溶液，取40 ml到具塞量筒中，再加入40 ml液體石蠟，40 ℃下恒溫5 min。上下劇烈搖晃量筒5次，在40 ℃下恒溫1 min，然后再連續(xù)重復(fù)5次，最后記錄水相分出10 ml的時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取平均值，作為判定乳化能力強(qiáng)弱的依據(jù)，即時(shí)間越長(zhǎng)，乳化能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)方法研究

通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿反應(yīng)的主要因素為投料摩爾比、反應(yīng)pH和反應(yīng)溫度3個(gè)因素，因此采用正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，因素水平表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1～表3。

表1 正交試驗(yàn)的因素和水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)

表3 正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

由表3看出，影響脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿反應(yīng)的主次順序?yàn)锳>B>C，最佳組合為A3B2C2，即nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反應(yīng)pH=8.5~9.5，反應(yīng)溫度為80~85℃。

2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由于在正交實(shí)驗(yàn)安排中并未出現(xiàn)A3B2C2，因此根據(jù)優(yōu)化后的最佳季胺化工藝條件，在實(shí)驗(yàn)室做驗(yàn)證性，合成月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿產(chǎn)品指標(biāo)見(jiàn)表4，說(shuō)明得到的成品指標(biāo)都較好，而且月桂基脂肪酰胺丙基甜菜堿產(chǎn)品收率優(yōu)于豆蔻基產(chǎn)品。

表4 產(chǎn)品指標(biāo)

2.3 泡沫性能

分別將月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿通過(guò)動(dòng)態(tài)泡沫儀測(cè)定泡沫性能，其發(fā)泡性能如圖1所示，其穩(wěn)泡性能如圖2所示，結(jié)果表明，兩種表面活性劑發(fā)泡性良好，在15 min內(nèi)泡沫高度略有些下降，說(shuō)明泡沫穩(wěn)定性基本不錯(cuò)；在發(fā)泡性能方面豆蔻基酰胺丙基甜菜堿優(yōu)于月桂基酰胺丙基甜菜堿，主要是豆蔻基具有較長(zhǎng)的疏水基可以提高分子間的內(nèi)聚力，從而使得液膜強(qiáng)度增加，發(fā)泡力增強(qiáng)[9]。

圖1 發(fā)泡性能

圖2 穩(wěn)泡性能

2.4 乳化性能

分別將月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液，采用分水時(shí)間法對(duì)液體石蠟進(jìn)行乳化測(cè)試，得到兩種甜菜堿產(chǎn)品的乳化性能見(jiàn)表5。從分水時(shí)間來(lái)看，兩種甜菜堿產(chǎn)品對(duì)液體石蠟的乳化能力良好，隨著豆蔻基疏水鏈的增長(zhǎng)，產(chǎn)品對(duì)液體石蠟的乳化能力有減弱趨勢(shì)。

表5 產(chǎn)品的乳化性能

3 結(jié)論

（1）采用月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺二甲基叔胺、氯乙酸、液堿等為原料，一步法制備月桂基和豆蔻基酰胺丙基甜菜堿表面活性劑；通過(guò)正交試驗(yàn)確定了最優(yōu)化的反應(yīng)條件，得出季胺化較優(yōu)工藝條件為：nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反應(yīng)溫度為80~85 ℃，反應(yīng)pH為8.5~9.5。

（2）通過(guò)動(dòng)態(tài)泡沫儀分析顯示，在發(fā)泡性能上豆蔻基酰胺丙基甜菜堿略?xún)?yōu)于月桂基酰胺丙基甜菜堿，且兩者的穩(wěn)泡性能基本不錯(cuò)。

（3）采用分水時(shí)間法對(duì)液體石蠟進(jìn)行乳化測(cè)試，兩種酰胺丙基甜菜堿都具有較好的乳化性能。