脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉的制備與性能

張小麗 邢趙健 許虎君

1.兩面針（江蘇）實業(yè)有限公司，江蘇揚州，225111；

2.江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫，214122

表面活性劑[1]分子具有不對稱的兩親基團（即親油基團和親水基團），這種結構使其具有一部分可溶于水而另一部分易在水中逃離的雙重性質。在溶液中加入少量的表面活性劑即能大大降低溶液的表面張力（或界面張力），改變體系界面狀態(tài)，從而產生潤濕、乳化、起泡以及增溶等一系列作用，表面活性劑因此成為一類重要的精細化學品。目前，表面活性劑的應用已遍及國民經濟的各個領域。脂肪胺聚氧乙烯醚表面活性劑是非離子表面活性劑中較為特殊的一類，脂肪胺聚氧乙烯醚表面活性劑通過脂肪胺與環(huán)氧乙烷加成得到，由于脂肪胺聚氧乙烯醚具有有機胺結構，使得這類表面活性劑在某種程度上具有陽離子表面活性劑的一些特征，但是隨著環(huán)氧乙烷加成數的逐步增加，脂肪胺聚氧乙烯醚表面活性劑逐漸由陽離子性向非離子性轉化，當環(huán)氧乙烷加成數較少時，其不溶于水，但可溶于酸性水溶液；當環(huán)氧乙烷加成數相對較多時，脂肪胺聚氧乙烯醚的非離子性增強，在堿性溶液也能表現出良好的表面活性，由于非離子性增強，陽離子性相對減弱，表現出與陰離子表面活性劑良好的相容性[4]。

將脂肪胺聚氧乙烯醚衍生制備各種表面活性劑具有很好的前景，而此類衍生產品是一類新型的帶有陽離子性質的表面活性劑，可能有其優(yōu)良的多功能性，探索進行此類研究具有很好的實際應用價值。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

實驗主要試劑和儀器見表1和表2。

表1 實驗主要試劑

表2 實驗儀器

1.2 合成原理

其中，R分別為C12、C18長鏈烷基；x+y＝5、10。

見公式1。

1.3 合成方法

以表1中的試劑進行樣品制備，將脂肪胺聚氧乙烯醚（合成以AC-1205為例）與溶劑（三氯甲烷）投入帶有導管、溫度計、攪拌與滴液漏斗的四口燒瓶中，外接裝有水的氣體吸收瓶，最好經水抽泵導入水池，開動攪拌器，并水浴加熱至25 ℃，用恒壓滴液漏斗滴加氯磺酸，其中n（脂肪胺聚氧乙烯醚）∶n（氯磺酸）＝1∶2.05，約30 min滴完，加料結束，控制溫度在25～30 ℃，繼續(xù)反應30 min。反應結束后，將反應瓶中的硫酸酯移入燒杯中，并稱量。取樣測定反應液酸價，按測定酸價計算中和加堿量，將配制好的氫氧化鈉水溶液倒入燒杯中（留少許，供調節(jié)pH值用），慢慢將硫酸酯加入中和劑溶液中，邊加邊攪拌。加料結束，調節(jié)中和pH值，或加酯或加中和劑使其pH值控制在9～10，靜置片刻后在60 ℃下蒸餾回收多余溶劑三氯甲烷。放烘箱真空干燥直至恒重，即得到產物脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸酯鈉鹽。

1.4 性能表征

1.4.1 合成產物的表面張力測定

分別配制一系列不同濃度的表面活性劑溶液，采用表2中的表面張力儀測定其表面張力；根據測得的各自表面張力γ與其濃度c之間的關系，做γ-lgC曲線，轉折點處相應濃度即為cmc，相應的表面張力為γcmc。

1.4.2 泡沫的測定

泡沫性能的測定常采用改進的Ross-Miles法，即GB/T 7462—1994。對于表面活性劑的泡沫性能優(yōu)劣，常采用起泡性和穩(wěn)泡性兩個指標來衡量。

1.4.3 潤濕力的測定

采用帆布沉降法進行潤濕力測定[10]。

1.4.4 乳化力的測定

表面活性劑的乳化作用是使油以極微小液滴均勻地分散在水中形成乳狀液。乳狀液按粒子大小分為普通乳狀液（即大分子乳狀液）和透明狀乳狀液。非離子表面活性劑常被用作乳化劑，因其乳化能力較強。由于不同乳化對象，表現出的乳化力不同，所以沒有專門的測定乳化力的方法。筆者用分水時間對合成樣品的乳化能力進行測定。

將40 ml質量分數為1%的樣品溶液和等體積的大豆油置于具塞量筒中，上下猛烈振動5次，靜置1 min，重復5次，立即用秒表記錄水相分出10 ml所需要的時間。

1.4.5 柔軟性能的測定

配制同濃度的樣品溶液1 000 ml，分別倒入燒杯中，將干燥毛巾依次浸沒各溶液中數小時，取出曬干，并用手感法與其他陰離子表面活性劑（如AES）比較。

2 結果與討論

2.1 脂肪胺醚硫酸鈉的紅外圖譜分析

FT-IR：使用KBr壓片法對樣品進行處理，通過傅里葉紅外光譜儀，在500～4000 cm-1的波長范圍內對樣品進行掃描，獲得紅外光譜圖。最終產物脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉（以AC-1205為例）的紅外光譜如圖1所示。

圖1 十二胺聚氧乙烯醚（5）硫酸酯鹽的IR譜圖

由圖1可見，3457.58 cm-1處為少量水存在的O—H伸縮振動峰出現的峰；2852.71 cm-1和2921.99 cm-1處有較尖的吸收峰為—CH2—、—CH3的伸縮振動峰；921.1 cm-1、768.87 cm-1和576.54 cm-1處為—CH2—的變形振動峰；1218.07 cm-1處為硫酸酯的伸縮振動峰；1068.67 cm-1和628.99 cm-1為S—O的變形振動峰；在1000 cm-1處附近為C—O鍵的伸縮振動峰；1466.19 cm-1處為C—N的振動吸收峰。

2.2 表面化學性能

測定了十二胺聚氧乙烯醚（5）硫酸鈉、十二胺聚氧乙烯醚（10）硫酸鈉和十八胺聚氧乙烯醚（10）硫酸鈉水溶液的γ-lgC曲線，如圖2所示。由曲線可得臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）以及該點對應的表面張力γcmc。

圖2 脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉的γ-lgC曲線

根據圖2結果，可分別計算得到十二胺聚氧乙烯醚（5）硫酸酯鈉鹽、十二胺聚氧乙烯醚（10）硫酸酯鹽和十八胺聚氧乙烯醚（10）硫酸酯鹽的最大表面吸附量（Γmax）、表面分子截面積（Amin）、表面活性劑溶液降低20 mN/m表面張力的對數（pC20）[11]（表3）。

表3 脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉的表面性能參數

2.3 泡沫性能

眾所周知，泡沫為熱力學的不穩(wěn)定體系，其泡沫的液膜最終會由于排液而導致變薄破裂，由此減少了液體的總表面積，從而降低了體系的自由能。泡沫性能主要從起泡和穩(wěn)泡兩個角度考慮，起泡力是指生成泡沫的數量級大小，而穩(wěn)泡力則是指泡沫存在的時間長短。影響兩者的因素不盡相同，一般來講，較低的表面張力有利于泡沫的形成，這是因為在泡沫形成的過程中，形成相同總表面積的泡沫做功較少。

影響泡沫穩(wěn)定性的因素較多，總體來講，主要是由排液快慢及液膜強度決定的。故影響因素如表面張力、表面黏度、液體黏度、表面張力的“修復”作用、氣體透過性等都有著十分重要的作用。一般情況而言，當表面活性劑分子在液體表面吸附結構緊密，相互作用強時，其形成的液膜強度較大，且排液緩慢，泡沫穩(wěn)定性較高。由圖3可以看出十二胺聚氧乙烯醚（5）硫酸鈉的泡沫高度和穩(wěn)泡性最好。

圖3 產物的泡沫性能

2.4 潤濕力

一種流體被另一種流體從固體表面或固—液界面所取代的過程叫做潤濕。固體表面的氣體被液體取代是最為普遍的潤濕過程。潤濕性能是表面活性劑應用性能的一個重要指標。表面活性劑潤濕纖維時在固體表面發(fā)生定向吸附：極性基團朝向固體，非極性基團朝向氣體吸附在固體表面，形成定向排列的吸附層。自由能較高的固體表面被碳氫鏈覆蓋而能量降低從而達到改變潤濕性能的目的。

表面活性劑主要是通過在界面上的吸附來改變體系的潤濕性能，由潤濕方式γsg-γsl＝γlgcosθ可知，液體的潤濕能力主要取決于液體的表面張力，一般情況下，表面張力越低，潤濕能力越強。故在水與一些低能表面構成的體系中，常加入表面活性劑作為潤濕劑來改善其潤濕性能。實驗結果見表4。

表4 產物的潤濕力

由表4可以看出十八胺聚氧乙烯醚硫酸鈉的潤濕力最好。

2.5 乳化性能

實驗測得的合成產物的乳化性能結果見表5。

表5 產物的乳化力

乳化是指兩種不相混溶的液體中的一種以極小的粒子均勻地分散到另一種液體中形成乳狀液的過程。當乳化劑在分散質的表面分散時[12]就會形成雙電層或薄膜，這樣就使分散相帶有電荷阻止分散相的小液滴互相凝結，形成的乳濁液比較穩(wěn)定。由表5可以看出十二胺聚氧乙烯（5）醚硫酸鈉鹽的乳化力最好。

2.6 柔軟性能

實驗結果見表6。

表6 產物的柔軟性能

十八胺聚氧乙烯醚（10）硫酸鈉柔軟性最好，十二胺聚氧乙烯醚（10）硫酸鈉和十二胺聚氧乙烯醚（5）硫酸鈉的柔軟性略好于AES。由結果可推測，因脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉含有氮離子的存在，所以雖然本身是陰離子表面活性劑，但卻有陽離子表面活性劑的部分特征，柔軟性能即是其中一個特點。

3 結論

（1）以脂肪胺醚和氯磺酸為原料進行硫酸化反應，再與堿中和，制得脂肪胺聚氧乙烯醚硫酸鈉，并通過紅外光譜表征。

（2）測定產物的表面張力，得到表面張力曲線并對其表面化學參數進行計算。

（3）對實驗合成產物進行應用性能測定，產物具有較好的泡沫性及穩(wěn)泡性、乳化性能及柔順性能。