某些两性表面活性剂结构与性能的研究

    0 引  言

两性表面活性剂是近年来表面活性剂行业中发展较快的种类之一.由于两性表面活性剂具有刺激性低､耐硬水性好､适用范围广和优良的生物降解性等优点,所以尽管其价格较高,但其应用面仍在日益扩大.然而,对两性表面活性剂的较系统的性能指标及结构与性能关系的研究较少.本文对甜菜碱[十二烷基二甲基甜菜碱,以下简称BS-12;N-(十二酰胺丙撑基)-二甲基甜菜碱,以下简称LAB]和氧化胺[十二烷基二甲基氧化胺,以下简称OB-2,N-(十二酰胺丙撑基)-二甲基氧化胺,以下简称LAO]两类共四种两性表面活性剂的各项性能指标进行了测定,找到了一些结构对其性能的影响因素.

1 实验部分

1.1 样品的来源和纯化

1.1.1 样品来源

样品由上海高维合成洗涤剂厂提供.

1.1.2 样品的纯化

将样品在微碱性条件下用石油醚(30～60℃分析纯)萃取三次,干燥.然后用80倍体积的无水乙醇(分析纯)溶解,过滤,并蒸去乙醇,得淡黄色晶体,用丙酮(分析纯)重结晶､干燥,得白色晶体,其纯度大于98%.

1.2 样品结构验证

红外光谱和核磁共振谱的测试,所得谱图均与文献相同.

1.3 性能测试

1.3.1 表面张力的测定(滴体积法)

当液体在管口成滴并落下时,落点体积大小与管的半径及液体表面张力有关,并符合如下关系式:

其中,F为校正系数,由V/R³在手册中查得;V为液体体积(ml);e为液体密度(g/ml);g为重力加速度(980cm/s²);R为管口半径(cm),本实验所用R=0.162cm;测定温度条件为20℃.

1.3.2 cmc的测定

表面活性剂的胶束形成的最低浓度被称为该表面活性剂的临界胶束浓度(cmc).本文是从γ～lgc%的关系图中找出其相应的cmc值的.

1.3.3 等电区的测定

测试原理:两性表面活性剂既是酸又是碱,它在强酸性条件下,几乎以阳离子形式存在;而在强碱性条件下,几乎以阴离子形式存在,在中性条件下,以内盐形式存在,而完全以内盐存在的pH值称为等电点PI.等电点的pH区域称为等电区.这也是两性表面活性剂区别于其他种类表面活性剂的重要性质.

测试方法:先用浓度为0.1mol/dm³NaOH溶液滴定浓度为0.1mol/dm³HCl溶液,作出pH～V_NaOH(ml)曲线图,再用浓度为0.1mol/dm³HCl配制4%浓度的两性表面活性剂溶液,再作出pH～V*_NaOH(ml)曲线,两曲线的交接区域即为该两性表面活性剂的等电区.

1.3.4 起泡能力的测定

利用Ross-Miles泡沫仪测定溶液的起泡能力及稳泡能力.

1.3.5 润湿性的测定

测定方法:将一定尺寸的布块平放在含表面活性剂的被测溶液的表面,记录从布块放上去至布块沉入溶液底部的时间.

测试仪器和样品:仪器,100ml量筒;样品:φ15mm32支纯棉布(经洗涤并干燥).

1.3.6 乳化能力的测定

在100ml具塞量筒中加入40ml0.1%的两性表面活性剂溶液和40ml液体石蜡油(化学纯),盖上塞子,上下猛烈振动30次后静置,记录从静置开始到水相分出10ml的时间.

1.3.7 Krafft点的测定

采用浊度法.将样品配成1.0%的水溶液进行测定.

1.3.8 增稠性能的试验

试验目的:两性表面活性剂具有许多优点,但由于价格等因素的影响,一般常与其它类型的表面活性剂配合使用.在少量增加成本的情况下,来改善配方的刺激､泡沫､调理等性能.另外,还应考虑体系的粘度性能.在一般配方中,人们希望尽可能少加NaCl来获得较高粘度的产品,其中选择对NaCl增稠敏感而有效的两性表面活剂就显得比较重要.本文中所用的试验配方为:两性表面活性剂2%,AES10%,65013%,NaCl0～10%(pH保持6.5).

2 结果与讨论

2.1 实测试结果

测试结果见表1.

2.2 讨论

从表面张力及cmc的数据来看,十二叔胺型的BS-12,OB-2的表面张力总体上低于十二叔胺丙撑基型的LAB,LAO.从结构对性能影响的观点来看:BS-12,OB-2结构较简单,亲水､亲油基团位置比较分明,而且又具有相同的12个碳构成的长亲油基团.因此,在较低的浓度下易形成稳定的胶束.而LAB,LAO的结构中虽然总亲油基增多了,但端点的亲油基团减少了一个碳,而在整个亲油基团中间嵌进了一个亲水基团,使得亲水基团较为分散,而且所占体积也有所增加,因此在水中不易形成较紧密的胶束,所以其表面张力较大.而从cmc的数据中可以看出,LAB,LAO的cmc要低于BS-12,OB-2,这可能是因为前者亲油基总数大于后者所致,而且同类型的甜菜碱cmc值要比其相应的氧化胺大50%左右,这也是因为BS-12,LAB的亲水性大于OB-2,LAO的缘故.

从等电区域的宽度数据中可以看出:BS-12我们认为亲油基团的增加,有利于增大其等电区域的宽度.

从泡沫性能的数据中可看出,起泡能力与表面张力的数据成反比.

从润湿能力的数据来看:BS-12,OB-2的润湿性能要好于LAB和LAO.从结构与性能的关系来看,可能主要是因为前者的亲油基较小,使整个表面活性剂的水溶性变好,从而能发挥出良好的润湿性能,另外,BS-12和LAB润湿性分别优于OB-2和LAO,其重要原因是BS-12与LAB有一个亲水基团()嵌在亲油基的中间,形成不对称“T”型结构,有较强的润湿性和渗透性.

从乳化能力的强弱的数据来看,BS-12,OB-2的乳化性能大大优于LAO,LAB.其主要原因也因为LAB,LAO的亲油链中夹入了一个亲水基团,即形成了不对称的“T”结构,使其的渗透性大为增加,使乳化胶束变得不稳定.另外,BS-12和LAB的乳化能力则略差于OB-2和LAO,其原因也是因为BS-12和LAB的分子中与其对应的OB-2和LAO相比,在两个亲水基团中多一个亲油基团(-CH₂-)使亲水基团变得分散,从而不利于乳化胶束在水中的稳定性.

另外,四种两性表面活性剂均有低于零下5℃的Krafft点,以及LAB的配方对NaCl增稠最为敏感而LAO则最差.

3 结  论

两性表面活性剂的性能与结构之间存在着必然的关系,其中,亲油基团的大小和亲水基团的大小以及它们在分子中的位置将直接影响它们的表面活性性能的好坏.从本文所测的四种表面活性剂的性能数据来看:(1)亲油基团的大小与表面张力(一定浓度)的大小成正比;与cmc成反比;与润湿性能成反比.(2)当亲水基团嵌在亲油基团的中间时,将对乳区胶束的稳定性产生很大的不利影响.

参 考 文 献

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