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    2-丙基庚醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚硫酸盐的性能

    时间：2023-02-21 11:05:37来源：百花范文网本文已影响人

    万伟康，曹圣悌，霍月青，刘晓臣，牛金平

    （中国日用化学研究院有限公司，山西太原 030001）

    Extended 表面活性剂是指在传统表面活性剂分子的疏水尾链和亲水离子头基之间引入氧丙烯（PO，中等极性基团）的两亲性分子，这种中等极性基团可以使表面活性剂分子极性过渡平缓，既不影响水溶性，又可以增强与油的相互作用［1-4］。“Extended”这一概念最早是在1995 年由委内瑞拉的Salager 博士提出，这一概念形象地表达了PO 基团对表面活性剂分子的延长作用［5］。Extended 表面活性剂中比较典型的一类就是脂肪醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚硫酸盐，分子结构式如下：

    目前研究Extended 表面活性剂的机构相对比较集中，国外主要有Oklahoma 大学、Unversidad de los Andes 大学及Regensburg 大学；
    国内主要有中国石油大学、中国日化院及江南大学等［6-9］。目前Extended 表面活性剂已经在国外的Sasol（古尔伯特醇、煤基合成醇）、Huntsman Petrochemical（直链脂肪醇）、Harcros Chemical（异构十三醇）等公司实现了工业化生产，但是在中国的研究和应用还不够充分［10］。得益于这种表面活性剂的特殊结构，Extended 表面活性剂在保证良好水溶性的前提下与油相有更强的相互作用，近些年来被应用于配制微乳液、低温无碱洗涤、萃取植物油等领域［11-17］。

    目前对Extended 表面活性剂基本性能的研究还比较有限，本实验研究了碳链相同、PO 基团数目不同的2-丙基庚醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚硫酸钠（C10PmE2S，m=3、8、12）的基本物化性能，探究了PO 基团数目对C10PmE2S 性能的影响，以期为实际应用提供基础数据。

    1.1 试剂与仪器

    试剂：C10PmE2S（纯度大于90%，自制），NaCl、液体石蜡（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

    仪器：BP100 动态表面张力仪、DSA-25 接触角测量仪、K12 表面张力仪（德国Krüss 公司），罗氏泡沫仪（中国日用化学工业研究院有限公司），JD200-3 分析天平（沈阳龙腾电子有限公司）。

    1.2 测试

    1.2.1 表面张力

    用去离子水配制C10PmE2S 待测溶液，静置24 h，用表面张力仪进行测试，测试温度为（25.0±1.0）℃。

    1.2.2 动态表面张力

    用去离子水配制质量浓度为0.1 g/L 的C10PmE2S待测溶液，静置24 h，用动态表面张力仪通过鼓泡法测量表面张力随着时间的变化曲线，测试温度为（25.0±1.0）℃。

    1.2.3 平衡接触角

    用去离子水配制质量浓度为1.0 g/L 的C10PmE2S待测溶液，用1 mL 注射器在固体石蜡膜基底上方沿垂直方向滴一滴待测溶液液滴，用接触角测量仪进行测量，测试温度为（25.0±1.0）℃，每个样品重复测试3次，取平均值。

    1.2.4 泡沫性能

    用去离子水配制质量浓度为1.0 g/L 的C10PmE2S待测溶液，用改进罗氏泡沫仪参考GB/T 7462—1994《表面活性剂发泡力的测定改进Ross-Miles 法》测定泡沫体积随着时间的变化，测试温度为（50.0±1.0）℃，每个样品重复测试3次，取平均值。

    1.2.5 润湿性能

    用去离子水配制质量浓度为1.0 g/L 的C10PmE2S待测溶液，参照GB/T 11983—2008《表面活性剂润湿力的测定浸没法》进行测试，每个样品重复测试10次，取平均值。

    1.2.6 乳化性能

    移取40 mL 质量浓度为1.0 g/L 的C10PmE2S 水溶液以及等体积的液体石蜡置于100 mL 具塞量筒中，上下剧烈振荡5 次，静置60 s，重复5 次，记录乳液析出10 mL 水所需要的时间，每个样品重复测量3 次，取平均值。

    2.1 平衡表面张力

    表面活性剂的许多应用性能都与其降低液体表面张力的能力有关，比如润湿性能、铺展性能、泡沫性能等［18］。0.1 mol/L NaCl 溶液中C10PmE2S溶液表面张力随着logc变化的曲线如图1 所示，表面活性参数如表1 所示。由图1 可以看出，随着表面活性剂溶液浓度的增加，其表面张力先是迅速降低然后趋于平衡，平衡时的拐点浓度即临界胶束浓度（cmc），平衡表面张力称为γcmc。按照下列公式计算饱和吸附量以及饱和吸附分子截面积［19-20］：

    式中：Γm为饱和吸附量，mol/m2；
    R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；
    n为常数，在0.1 mol/L NaCl 溶液中，n=1；
    T为温度，K；
    Am为饱和分子截面积，Å2；
    NA为阿伏伽德罗常数。

    由图1、表1 可以看出，随着PO 基团数目的增加，cmc 减小，γcmc增大。这可能是由于PO 基团具有一定的疏水性，有利于胶束形成；
    此外，由于PO 基团的无序构象，PO 基团数目增加会导致分子体积增大，使分子在表面排布更加稀疏，表面吸附的分子数量减少，具体表现为表1 中所示饱和吸附量随着PO 基团数目增加而减少，饱和吸附分子截面积随着PO 基团数目增加而依次增大。另外，由表1 还可以看出，pc20值随着PO 基团数目增加而增大，即降低表面张力的效率升高，原因可能是PO 基团数目增加，分子盘绕加剧，表面电荷密度降低，亲水离子头基之间的静电排斥力减小，导致亲水离子头基由体相向界面迁移（自由能降低）。

    图1 表面活性剂的表面张力

    表1 表面活性剂的表面活性参数

    2.2 动态表面张力

    在实际测量过程中，通过在极短时间内突然扩大液面面积，同时立即观测溶液表面张力随着表面寿命的变化情况，就会得到溶液动态表面张力曲线［18］。由图2 可以看出，随着PO 基团数目增加，表面活性剂溶液达到平衡表面张力的速度加快，这可能是由于C10P3E2S、C10P8E2S、C10P12E2S 的疏水性依次增强，游离的表面活性剂分子吸附到表面达到饱和的速度加快；
    此外可能是由于聚氧丙烯醚链段增长导致分子盘绕加剧，截面积增大，较少的分子便可以达到较高的覆盖率。

    图2 表面活性剂的动态表面张力

    2.3 接触角

    表面活性剂溶液在固体表面上的接触角可以衡量其铺展性。液体在固体表面铺展的过程实质为固体表面的气/固界面被液/固界面取代，同时扩展气/液界面的过程，铺展性越好，平衡接触角越小［18］。由图3可以看出，随着PO 基团数目的增加，接触角减小，这可能是由于PO 基团数目增加导致亲油性增加，有利于液滴在固体石蜡膜表面铺展。

    图3 表面活性剂的接触角

    2.4 泡沫性能

    在实际应用中，不同应用场合对泡沫的要求不一，泡沫性能的好坏视具体情况的需要而定。由图4可以看出，随着PO 基团数目的增加，起泡性随之减弱。这可能是由于平衡表面张力γcmc随着PO 基团数目增加而升高，泡沫生成时表面积增大，体系能量升高，平衡表面张力γcmc越高的体系能量升高越多，体系越不稳定，不利于泡沫的生成；
    此外，分子体积随着PO 基团数目增加而增大，不利于分子扩散并吸附到气/液界面，导致起泡性变差。

    图4 表面活性剂的泡沫性能

    2.5 润湿性能

    通过浸没在表面活性剂溶液中的帆布片的沉降时间可以表征润湿性能，沉降时间越短，润湿性能越好，此过程的实质可以视为液/固界面代替气/固界面［18］。由表2 可以看出，随着PO 基团数目的增加，帆布片的沉降时间延长，润湿性能减弱，这可能是由于PO 基团数目增加导致分子体积增大，分子需要一个特殊的构象才能吸附到液/固界面，导致润湿性变差。

    表2 表面活性剂的润湿性能

    2.6 乳化性能

    乳液是指在一种液体中分散着另一种与之不相容的液体形成的多相热力学不稳定体系。通过测定乳液体系析出一定体积水所需要的时间可以表征其稳定性。由表3 可以看出，随着PO 基团数目的增加，乳液稳定性提高，这可能是由于PO 基团的增加使得表面活性剂分子延长，与油相之间的相互作用增强，有利于乳化性能的增强。

    表3 表面活性剂的乳化性能

    随着PO 基团数目的增加，C10PmE2S 表面活性剂的临界胶束浓度cmc 减小，cmc 时的平衡表面张力升高；
    动态表面张力降低速度增加；
    接触角减小；
    起泡性和润湿性降低；
    乳化性能增强。

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