两性表面活性剂
两性表面活性剂的分子由非极性部分和带正电荷与带负电荷在一起的极性部分组成。其中构成非极性部分的主要是C12H25-,极性部分是季铵正离子和羧酸根负离子。
因为两性表面活性剂具有钙皂分散能力,杀菌能力,对皮肤、眼睛、粘膜的刺激性很小,低毒以及多种实用功能,其应用发展很快,它的主要用途是与其它类型表面活性剂复配。两性表面活性剂的存在大大改善了其它表面活性剂的不良性质(如对人体的毒性、刺激皮肤、对硬水的敏感等)。
一些常用的两性表面活性剂种类分别叙述如下。
1.咪唑啉衍生物类
由取代基A的乙二胺衍生物与长链脂肪酸作用、成环的咪唑啉衍生物。A可以是-C2H4OH、-C2H4NH2或其它不大的有机基团,再用氯乙酸与所得的咪唑啉衍生物反应,使环上的一个氮原子季铵化的同时带上羧基,成为两性化合物。其中的烷基常为7~17个碳原子的烷基,这是一类典型的 、广泛应用的两性表面活性剂。此类表面活性剂在水溶液中会水解、开环成为直链化合物。咪唑啉型两性表面活性剂的负电性基团也可以是磺酸基。制备的化学反应与羧酸盐的类似。
2.甜菜碱衍生物
结构式为R3N+CH2COO-,这是另一类具有商业价值的两性表面活性剂。它可以通过叔胺与氯乙酸钠反应得到。三个R基可以不同,作为表面活性剂,其中必有一个R基为 7个碳原子以上的脂肪烃基,此类化合物在很大pH值范围内水溶性都很好,具有很好的硬水耐受能力。
甜菜碱衍生物的长碳链也可以不在氮原子上而在羧基的a-碳原子上。这类化合物的性质与R基(长链)在N上的有所不同。
3.氨基丙酸衍生物
结构式为RNHCH2CH2COOH。可通过脂肪胺和丙烯酸酯的加成反应得到。氨基丙酸衍生物的水溶性很好,常应用与优良香波配方中。
4.牛磺酸衍生物
用高级脂肪胺与卤代乙磺酸作用可得牛磺酸衍生物表面活性剂,为使氨基季铵化,加溴代烷与之反应。这种表面活性剂在水中的溶度不如甜菜碱,但在任何条件中皆以两性(正、负)离子形式存在,如RN+(CH3)2(CH2)2SO3-等。
特殊表面活性剂
1.氟表面活性剂
主要是指表面活性剂的碳氢链中的氢原子全部被氟原子取代了的全氟化合物,也包括疏水基部分含有碳氟链的表面活性剂。这是氟有机化学发展进程中出现的产物。氟表面活性剂的碳氟链与一般表面活性剂的碳氢链不同。一是其疏水作用比碳氢链强,表现在氟表面活性剂的表面活性比同碳原子数的一般表面活性剂高得多。其次是碳氟链不但疏水,而且疏油。全氟表面活性剂在固体表面上的单分子层不能被烷烃液体所润湿,以及全氟表面活性剂不但能大大降低表面张力,也能降低碳氢化合物液体(或有机溶剂)的表面张力,即其疏油性质的表现。全氟表面活性剂有很高的表面活性,水溶液的表面张力可低到20mN/m以下(有的甚至达到12mN/m),这是其它类型表面活性剂远所不及的。氟表面活性剂耐高温、有高的化学稳定性(特别是磺酸盐),不怕强酸、强碱,甚至强氧化剂也不能使其破坏。氟表面活性剂的碳原子数一般不超过10,否则,在水中的溶度太小,不利于应用。氟表面活性剂由于其高度稳定性和高表面活性,常用于镀铬电解槽中,防治铬酸雾逸出,以保障工人健康;用于“轻水”配方中,作为油类及汽油火灾的高效灭火剂;也常用作碳氟高分子单体乳胶的乳化剂。氟表面活性剂具有既疏水又防油的碳氟链,故常用于形成既疏水又疏油的表面,制成既防水又防油的纺织品、纸张和皮革。氟表面活性剂还可用于抑制有机溶剂的蒸发。
2.硅表面活性剂
聚硅氧烷化合物(硅油、硅树脂)的疏水性很突出,故具备作为表面活性剂疏水基的可能性,事实上,正是由于其疏水性较强,不长的硅烷烃链即可使化合物具有可观的表面活性。在聚硅氧烷链的基础上,可得到与环氧乙烷共聚而成的高分子表面活性剂。硅表面活性剂也可以有阳离子性的,以及两性的(即含有-COOH基团的)。表面张力最低可达到20mN/m。
3.高分子表面活性剂
天然高分子物质,如水溶性蛋白质、树脂,以及许多合成的高分子物质,如聚乙烯醇、部分水解的聚丙烯酰胺以及聚丙烯酸盐等,一般多作为乳化剂和分散剂,基本上可以说,凡是相对分子质量很高的水溶性物质皆有保护胶体性质。
木质素磺酸盐是一种高分子电解质,是造纸的副产品,其相对分子质量一般为1000~25000,有复杂的化学结构,有酚基、醇基和羧基,磺酸基则在与酚基联接的C3烷基的a-及β-位置上,一般是钠盐和钙盐,间或是铵盐,它们常用作固体的分散剂及水包油乳状液的稳定剂,由于价格低廉,使用时不易起泡,适于大量生产,但色泽暗黑,不易溶于有机溶剂(包括与水混溶的醇类),降低水的表面张力不多,是其缺点。
将聚4-(或2-)乙烯吡啶用C12H25Br季铵化,可得到阳离子性高分子表面活性剂,季铵化后的产物比原来高分子物有更高的表面活性,在水溶液(甚至极稀的水溶液)中显示出对有机物(如苯及十二烷)的良好加溶作用。
对位烷基苯酚与甲醛缩合即得线性高分子,以环氧乙烷处理后可得到水溶性的非离子高分子表面活性剂,将此种表面活性剂再加以硫酸化,则得阴离子性表面活性剂。
用C12H25Br与聚乙烯亚胺的部分亚胺基作用后,再与一氯醋酸反应,即得具有高表面活性的两性高分子表面活性剂。
前面叙述的整体共聚非离子表面活性剂种类和大多数硅表面活性剂品种,也都是高分子表面活性剂。用作原油破乳剂的所谓“超高相对分子质量”破乳剂,则是相对分子质量达数十万,以至数百万的环氧丙烷-环氧乙烷聚合的聚醚,更是典型的非离子高分子表面活性剂。
4.冠醚类大环化合物
冠醚类大环化合物具有与金属离子络合、形成可溶于有机溶剂的络合物的特性,因而广泛的用作相迁移催化剂。由于冠醚大环主要由聚氧乙烯构成,与非离子表面活性剂的极性基箱底,故在大环上加入烷基取代机,则可得到与一般非离子表面活性剂类似,但又有其独特性质的表面活性剂。这类表面活性剂的特点,即其大环极性基与金属离子能形成络合物,形成络合物之后,此类化合物实际上即非离子表面活性剂转变为离子表面活性剂,在大环中“隐藏”了金属离子,成为一个整体,易溶于有机溶剂中,故大环化合物可用作相迁移催化剂。
烷基取代的环糊精和芳烃大环化合物,最低表面张力可达30mN/m,除了好的表面活性外,它们易与其他化合物或离子形成包合物(主-客体系),近年来作为新功能材料受到重视。
5.二聚表面活性剂
由一间隔基团连接的两亲性部分而形成的表面活性剂,间隔基团处于两亲部分的亲水基之间或接近亲水基的疏水部分之间。二聚表面活性剂与一般表面活性剂相似,可以是阳离子性、阴离子性或非离子性的。
在二聚表面活性剂中,也有两性离子头的表面活性剂,二聚表面活性剂亦常称为“双子表面活性剂”及“连体”表面活性剂。二聚表面活性剂的性能比一般表面活性剂(单体)优越:其cmc远低于单体,有较高的表面活性;它们具有较好的加溶、润湿、起泡合钙皂分散作用;有亲水性间隔基团的二聚表面活性剂一般具有很低的Krafft点,因而使得这种表面活性剂有一较大的应用温度范围;此外,有些二聚表面活性剂在相当低的浓度时就显示出某些突出的流变性质(粘弹性、胶凝作用、切稠现象),这是一般有相同烷基链的表面活性剂所不具备的。
间隔基团在二聚表面活性剂结构中的位置处于接近头基这一点很重要,当一疏水性间隔基团在远离头基的烷基链部分连接时,这种二聚表面活性剂实际上就是具有直链的双头表面活性剂,这种表面活性剂与上述的一般二聚表面活性剂不同,其cmc较高,性能较差。
附:表面活性剂常用缩略词释义
SAA 表面活性剂
a-SAA 阴离子表面活性剂
n-SAA 非离子表面活性剂
c-SAA 阳离子表面活性剂
LAS 直链烷基苯磺酸盐(软性苯磺酸盐)
AS 烷基硫酸盐
SAS 仲烷基硫酸盐
AES 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐
AESS 脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸酯磺酸钠
MES 脂肪酸甲酯磺酸盐
ABS 硬性苯磺酸盐
AOS 烯基磺酸盐






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