（环境工程专业论文）孪连表面活性剂在废纸脱墨中的应用研究.pdf

羹 1 ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n tp r o j e c t s u r f a c ea c t i v ea g e n ts y n t h e s i sa n dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h i nt h ew a s t ep a p e rd e i n k i n g b y s u nl o n gy u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i ng u ol i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e mb e r2 0 0 8 r【；0卜l fi ；丑 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：以形或 黾凝：勿秽秒g 步，z ，履歹露 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：弘勿易夕茺导师签名：神葫瞬l 签字目期：汐矽彦锣厂钐 签字日期：沙鸥纠f 目 ，l一 东北大学硕士学位论文 摘要 孪连表面活性剂在废纸脱墨中的应用研究 摘要 孪连表面活性剂有着独特的分子结构及多种特殊的性质，近年来，应用领域越米越广泛。研究 内容从最初的合成、结构，逐步扩展至乔面行为、聚集体行为、协同效应及应用等方面。 论文研究从合成孪连表面活性剂入手，采用乙二醇、环氧氯丙烷和脂肪醇为主要原料，合成阴 离子硫酸盐性孪连表面活性剂。合成过程中得剑的中间体二醇所具有的活化部位在亲水基、疏水基、 连接基本团三者键合处，可供卜- 一步硫酸化反应和中和反应。硫酸化反应是亲核取代反应，中和反 虑属于酸碱中和，试验选用氯磺酸与中间体二醇发生硫酸化反应，再用氢氧化钠进行中和，得到最 终产物为双十二烷基乙氧基二硫酸脂钠孪连表面活性剂。其组分研究采用色谱一质谱联用分析技术 对产品进行纯化及结构表征。对开环反应过程中各个阶段产物进行气相色谱分析，使用外标法确定 反应液中原料和产物的含量，控制反应过程，并以此确定反应的最佳条件，使反应产物最优化。在 实验中采用吸附薄层色谱与柱色谱两者结合使用，从合成反应过程中分离单一产物，经适当的显色 剂显色后可观察剑分离效果。根据产物的红外光谱的特征基团频率确定物质含有哪些基团。 论文对孪连表面活性剂的多种性能进行了测定，包括表面张力测定、泡沫力测定、润湿力测定、 去污力测定、乳化力测定、分散力测定和在硬水中的稳定性测定。通过热重分析，得到孪迩表面活 性剂的许多性质参数。测定结果和性质参数用于分析孪连表面活性剂的脱墨效果和脱墨机理。 孪连表面活性剂用丁废纸脱墨，实验方法主要采用洗涤法和浮选法脱墨。洗涤法脱墨是一个水 力分离过程，试验通过筛网对纸浆悬浮液进行筛选，水夹带油墨颗粒被除去。浮选法脱墨通过浮选 机分离具有疏水性表面的油墨颗粒和具有亲水性表面的纸浆纤维，试验结果表明，浮选法脱墨效果 明显好于洗涤法。脱墨效果采用白度、得绿和残余油墨指标进行综合评价。 试验还研究了中间体二甘油醚的合成，利片j 正交试验考查催化剂用量、反应时间、反应温度和 水的用量对合成效果的影响。试验确定的最佳反应条件为：催化剂用量0 8 m o l 、反应时间2 5 h 、温 度6 0o c 。同时考杏了催化剂种类对反应产率的影响，试验结果表明，采用氢氧化钾做催化剂，中 间体的产率比氢氧化钠低，说明在一定条件下，氢氧化钾催化效力不如氢氧化钠。中间体二醇的合 成试验，同样也考查了催化剂用量、反应时间、反应温度和水的用量对合成效果的影响，试验确定 的最佳反应条件为：催化剂用量0 2 m o l 、温度8 0o c 、恒温反应5 h 。同时考查了催化剂种类对反应 产率的影响，试验结果表明，采用b p 。一乙醚做催化剂效果稍好于金属钾，其原冈是实验的其他条 件是以b f 。一乙醚做催化剂进行优化的。双十二烷基乙氧基二硫酸脂钠合成试验，考查了硫酸化反 应的影响因素，主要包括温度、时间和硫化剂种类对硫酸化效果的影响，确定的最佳试验条件为： l 泠、 东北大学硕士学位论文摘要 硫化剂用量约2 m o l 、温度2 0o c 、反应时间3 h 。硫化剂种类试验考查了氯磺酸、浓硫酸、发烟硫酸 三种，试验结果表明，各种硫化药剂各有优缺点，应用时根据实际情况进行选择。中和反应采用1 5 的氢氧化钠溶液，反应温度2 00 c 、时间3 h 。 论文比较了单一和复配体系表面活性剂的脱墨试验效果，儿种表面活性剂通过混合复配，可以 使得制剂或配方的效果更好，说明各类表面活性剂之间具有良好的配伍性和协同效应。脱墨工艺条 件优化试验，考杏了脱墨剂配比和用量、n a o h 用量、n a z s i o 。用量、h z o 。用量、e d t a 、温度、时间对 脱墨效果的影响。选择孪连表面活性荆双十二烷基乙氧基二硫酸脂钠与非离子表面活性剂脂肪醇聚 氧乙烯醚进行复配，作为脱墨剂主要成分，采用洗涤法确定的最佳试验条件为：配比1 5 ：1 、脱墨 剂用量0 3 、n a o h 用量1 、n a ：s i o ：，用鼍2 、h 。o ：用量1 9 6 、e d t a o 2 、温度5 0o c 、时间3 0 m i n 。 关键词：表面活性剂，合成反应，脱墨，性能测定，工艺条件试验，效果评价。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f a c ea c t i v ea g e n ts y n t h e s i sa n dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c hi nt h e w a s t ep a p e rd e i n k i n g a b s t r a c t s u r f a c ea c t i v ea g e n to w n ss p e c i a lm o l e c u l es t r u c t u r ea n dk i n d so fp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c ，i nr e c e n t y e a r s ，w h i c hh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h er e s e a r c hc o n t e n tr a n g e sf r o mo r i g i n a ls y n t h e s i s ， s t r u c t u r et oi n t e r f a c ea c t i o n ，c o n g e r i e sa c t i o n ，s y n e r g i s t i ce f f e c ta n da p p l i c a t i o na n ds oo n t h ep a p e rr e s e a r c hs t a r t sf r o mc o m p o u n d i n gs u r f a c ea c t i v ea g e n t ，u s i n gg l y c o l ，e p o x yc h l o r o p r o p a n e a st h em a i nr a wm a t e r i a l ，t oc o m p o u n d i n gn e g a t i v ei o ns u l p h a t es u r f a c ea c t i v ea g e n t i nt h ep r o c e s so ft h e s y n t h e s i s ，w eo b t a i nt h ea c t i v a t i o ns i t eo ft h em i d b o d yd i o l ，w h i c hl i e si nb o n da m o n gh y d r o p h i l i cg r o u p ， h y d r o p h o b i cg r o u pa n dc o n n e c t i o nr a d i c a l ，w h i c h c a nb e u s e df o rn e x ts u l f a t i n ga n dn e u t r a l i z a t i o n r e a c t i o n s s u l f a t i n gr e a c t i o ni sn u c l e o p h il i cs u b s t i t u t i o nr e a c t i o n ，n e u t r a li z a t i o nr e a c t i o n si sa c i d b a s e s n e u t r a l i z a t i o nr e a c t i o n ，i nt h ee x p e r i m e n tw ec h o o s ec h i o r o s u i f o n i ca c i da n dm i d b o d yd i o lt or e a c tw i t h e a c ho t h e r , a f t e rw h i c hw eu s es o d i u mh y d r o x i d et on e u t r a l i z e ，a n di nt h ee n dw eo b t a i nt h ef i n a lp r o d u c t p o l y e t h o x ya l k y l a m i n es u r f a c t a n t t oi t sc o n s t i t u e n tr e s e a r c hw ec h o o s ec h r o m a t o g r a ma n dm a s ss p e c t r u m c o u p l i n gt e c h n i q u et op u r i f yp r o d u c ta n dr e p r e s e n ts t r u c t u r e w ed og a sc h r o m a t o g r a p h yt ot h ep r o d u c t s w h i c hg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so ft h er i n gc l e a v a g er e a c t i o n ，u s i n ge x t e r n a lr e f e r e n c em e t h o dt od e t e r m i n e t h er a wm a t e r i a li nt h er e a c t i o nl i q u i da n dc o n t e n t si nt h ep r o d u c t s ，c o n t r o l l i n gr e a c t i o np r o c e s sa n d d e t e r m i n eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o nb yi t ，m a k i n gr e a c t i o np r o d u c t so p t i m i z a t i o n i nt h ee x p e r i m e n tw e c h o o s et h i n 1 a y e rc h r o m a t o g r a p h ya n dc o l u m nc h r o m a t o g r a p h yt oc o m b i n e ，s e p a r a t i n gt h es i n g l ep r o d u c t f r o mt h er e a c t i o np r o c e s s ，w ec a l lo b s e r v et h es e p a r a t i o ne f f e c t sb ya p p r o p r i a t ec o l o rd e v e l o p m e n ta n d d e t e r m i n ed i c a lo f t h em a t e r i a la c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i cd i c a lo f t h ei n f r a - r e ds p e c t r u m i nt h ep a p e rw es u r v e yt h ef u n c t i o no ft h es u r f a c ea c t i v ea g e n t ，i n c l u d i n gs u r v e y i n gs u r f a c et e n s i o n ， f o a m yt e n s i o n ，w e t t i n gp o w e r , d e t e r g e n c y , e m u l s i f y i n gp o w e r , d i s p e r s a n c ya n ds t a b i l i t yi nt h eh a r d w a t e r t h r o u g ht h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ，w eo b t a i nl o t so fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h es u r f a c ea c t i v ea g e n t t h ed e t e r m i n a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rc a nb eu s e df o ra n a l y z i n gd e i n k i n ge f f e c t sa n dm e c h a n i s m o ft h es u r f a c ea c t i v ea g e n t s u r f a c ea c t i v ea g e n ti sa p p l i e df o rd e l i n k i n gw a s t ep a p e r , t h ee x p e r i m e n tm e t h o d sm a i n l ya r ew a s h i n g m e t h o da n df r o t hf l o a t a t i o n w a s h i n gm e t h o di sah y d r o d y n a m i cs e p a r a t i o np r o c e s s ，w ef i l t e rt h e s u s p e n s i o no fp u l pb ys c r e e ns t e n c i l ，t h eo i ld r o pw h i c hi sc a r r i e db yw a t e ri sg o tr i do f f r o t hf l o a t a t i o n s e p a r a t e i n kp a r t i c l et h a to w n sh y d r o p h o b i cn a t u r ef r o mf i b e r e dp u l pt h a to w n sh y d r o p h i l i c i t y , t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si m p l yt h a tf r o t hf l o a t a t i o ni sb e t t e rt h a nw a s h i n gm e t h o d t h ea f f e c t so ft h ed e l i n k i n g a r ee v a l u a t e db yw h i t ec o n t e n t ，b r i l l i a n tg r e e na n dr e m a i n i n gp r i n t i n gi n k i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i nt h ee x p e r i m e n tw ea l s od os o m er e s e a r c hi n t ot h es y n t h e s i so ft h em i d b o d yb a d g e ，a n dd e t e r m i n et h e e f f e c t so ft h es y n t h e s i so ft h ed o s a g eo ft h ec a t a l y s t ，r e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dt h ed o s a g eo ft h ew a t e r w ed e t e r m i n et h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o ni st h a tt h ed o s a g eo ft h ec a t a l y s ti s0 8 m o l ，r e a c t i o nt i m ei s 2 5 h t e m p e r a t i o ni s6 0 0 c i nt h es a m et i m ew ea l s oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fk i n d so ft h ec a t a l y s to nt h e r e a c t i o np r o d u c t i v er a t e ，t h er e s u l t si m p l yt h a tt h er a t eo ft h em i d b o d yi sl o w e rt h a ns o d i u mh y d r o x i d e w h e ne m p l o y i n gp o t a s s i u mh y d r o x i d ea sc a t a l y s t ，w h i c hs t a t e st h a ti nc e r t a i nc o n d i t i o nt h ep h o t o c a t a l y t i c a b i l i t i e so fp o t a s s i u mh y d r o x i d ei sl o w e rt h a ns o d i u mh y d r o x i d e t h ee x p e r i m e n to ft h es y n t h e s i so ft h e m i d b o d yd i o l ，w ea l s oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ed o s a g eo fc a t a l y s t ，r e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dt h e d o s a g eo ft h ew a t e ro nt h ee f f e c t so ft h es y n t h e s i s ，t h er e s u l t sd e t e r m i n et h eo p t i m u mc o n d i t i o ni st h e d o s a g eo ft h ec a t a l y s ti s0 2 t o o l ，t e m p e r a t u r ei s8 0 0 c ，t h e r m o s t a t i cr e a c t i o nt i m ei s5 h i nt h es a m et i m ew e a l s oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ed o s a g eo ft h ec a t a l y s to nt h er e a c t i o nr a t e ，t h er e s u l t si m p l yt h ee f f e c t s o ft h ec a t a l y z i n go fg l y c o le t h e ri sb e t t e rt h a nt h a to fp o t a s s i u m ，t h er e a s o nf o rt h a ti st h eo t h e rc o n d i t i o n s i nt h ee x p e r i m e n ti so p t i m i z e db yg l y c o le t h e r t h ee x p e r i m e n to ft h es y n t h e s i so fp o l y e t h o x ya l k y l a m i n e s u r f a c t a n ti sm a i n l yt od e t e r m i n ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h es u l f a t i n gr e a c t i o n ，m a i n l yi n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ， t i m ea n dt h ek i n d so ft h ec u r i n gi n g r e d i e n t ，d e t e r m i n i n gt h eo p t i m u mt h ed o s a g eo ft h ec u r i n gi n g r e d i e n ti s 2 m 0 1 t e m p e r a t u r ei s2 0 0 c ，r e a c t i o nt i m ei s3 h i nt h ee x p e r i m e n to ft h ek i n d so ft h ec u r i n gi n g r e d i e n t ，w e m a i n l yi n v e s t i g a t ec h l o r o s u l f o n i ca c i d ，o i lo fv i t r i o l ，o l e u m ，t h er e s u l t si m p l yt h a te a c hc u r i n gi n g r e d i e n t o w n sh i ss p e c i a lr e l a t i v em e r i t s ，w h e na p p l y i n gw es h o u l dc h o o s ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n i nt h e n e u t r a l i z a t i o nr e a c t i o n ，w ec h o o s ec a u s t i cs o d as o l u t i o nw i t ht h er a t eo f15 ，a n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e i s2 0 0 c t i m ei s3 h i nt h ep a p e rw ec o m p a r et h ee f f e c t so fs i n g l es u r f a c ea c t i v ea g e n tw i t ht h a to ft h ec o m b i n e ds y s t e m s ， i nt h ee x p e d m e n tw ef i n dt h a tw h e ns o m et y p e so fs u r f a c ea c t i v ea g e n tb e i n gb l e n d e d ，w ec a nm a k et h e e f f e c t so ft h ec h e m i c a lo rp h a r m a c e u t i c a lp r e p a r a t i o na n dp r e s c r i p t o nb e u e ra n db e a e r ，w h i c he x p l a i n st h a t t h e r ea r ec o m p a t i b i l i t ya n ds y n e r g i s t i ce f f e c ta m o n ga l lm a n n e ro fs u r f a c ea c t i v ea g e n t s i nt h ee x p e r i m e n t o fd e i n k i n gt e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o n s ，w e m a i n l yi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h er a t ea n dd o s a g eo ft h e d e i n k i n ga g e n t s ，t h ed o s a g eo ft h es o d i u mh y d r o x i d e ，s o d i u ms i l i c a t e ，o x y f u l ，e d t a ，t e m p e r a t u r e ，t i m eo n t h ed e i n k i n ge f f e c t s w h e nc h o o s i n gs u r f a c ea c t i v ea g e n t sp o l y e t h o x ya l k y l a m i n es u r f a c t a n ta n dn o n i o n i c s u r f a c t a n ta e ot oc o m b i n ew i t he a c ho t h e r , b e i n gr e g a r d e da st h em a i ni n g r e d i e n t so ft h ed e i n k i n ga g e n t ， w ef i n dt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o ni sm i x t u r er a t i oi s1 5 ：1 , t h ed o s a g eo ft h ed e i n k i n ga g e n ti s0 3 t h e d o s a g eo fs o d i u mh y d r o x i d ei sl ，t h ed o s a g eo fs o d i u ms i l i c a t ei s2 ，t h ed o s a g eo ft h eo x y f u li s1 ，t h e d o s a g eo fe d t a i so 2 ，t e m p e r a t u r ei s5 0 0 c ，t i m ei s3 0 m i n k e y w o r d s ：s u r f a c ea c t i v ea g e n t ，s y n t h e t i cr e a c t i o n ，d e i n k ，p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，t e c h n o l o g c i a l c o n d i t i o n se x p e r i m e n t s ，e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n i v q f瓷i，棠口啊， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要”“一一一一一一i a b s t r a c t iii 第一章引言1 1 1 新一代孪连表面活性剂1 1 1 1 孪连表面活性剂的发展1 1 1 2 孪连表面活性剂的分子结构与分类2 1 1 3 孪连表面活性剂的性质3 1 2 孪连表面活性剂的应用与合成进展6 1 2 1 孪连表面活性剂的应用6 1 2 2 孪连表面活性剂的合成进展6 1 3 废纸脱墨1 0 1 3 1 废纸利用及废纸处理技术现状1 0 1 3 2 脱墨机理1 1 1 3 3 脱墨剂的选择及特性1 2 1 4 创新点”一”1 4 第二章实验部分1 5 2 1 孪连表面活性剂的合成1 5 2 1 1 合成路线设计1 5 2 1 2 中间体二甘油醚的合成1 6 2 1 3 中间体二醇的合成1 6 2 1 4 双十二烷基乙氧基二硫酸酯钠的合成1 7 2 2 产品的纯化及结构表征1 8 2 2 1 气一质连用色谱分析1 8 2 2 2 气相色谱分析1 9 2 2 3 薄层及柱色谱分析1 9 2 2 4 红外光谱分析2 0 2 2 5 活化物含量测定2 0 2 3 孪连表面活性剂的性能研究2 0 2 3 1 表面张力测定2 1 2 3 2 泡沫力测定2 1 2 3 3 润湿力测定2 2 2 3 4 去污力测定2 2 2 3 5 乳化力测定2 3 2 3 6 分散力测定2 3 2 3 7 在硬水中的稳定性测定2 4 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 8 热重分析2 4 2 4 孪连表面活性剂的脱墨性能研究2 5 2 4 1 洗涤法脱墨2 5 2 4 2 浮选法脱墨2 6 2 4 3 脱墨效果综合评价2 6 第三章结果与讨论2 9 3 1 孪连表面活性剂的合成2 9 3 1 1 中间体二甘油醚的合成2 9 3 1 2 中间体二醇的合成3 2 3 1 3 双十二烷基乙氧基二硫酸酯钠的合成3 5 3 1 4 产品的分离纯化及结构表征3 8 3 1 5 合成的目的产物4 1 3 2 孪连表面活性剂的性能研究4 2 3 2 71 表面张力与c m c 4 2 3 2 2 泡沫力一”“一“4 3 3 2 3 其它性能4 5 3 2 4 热重分析4 6 3 3 孪连表面活性剂的脱墨性能研究4 8 3 3 1 单一表面活性剂的脱墨效果4 8 3 3 2 表面活性剂复配体系的脱墨效果0 00qqo 4 9 3 3 3 工艺条件优化5 1 3 3 4 脱墨方法的比较5 9 第四章结论6 1 参考文献6 0 致谢6 7 发表论文情况6 8 附录6 9 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 新一代孪连表面活性剂 表面活性剂是一大类有机化合物，它们的性质极具特色，应用极为灵活、广泛，有 很大的实用价值和理论意义。表面活性剂具有两种特性：a 活跃于表( 界) 面；b 改变表 ( 界) 面张力。具体说表面活性剂是一种活跃于表面与界面上，具有极高的降低表、界面 张力的能力和效率的一种物质，它们在一定浓度以上的溶液中能形成分子有序组合体， 从而具有一系列应用功能。 随着时代的发展，表面活性剂领域日新月异。探索并合并成具有高表面活性的新型 表面活性剂一直是人们感兴趣的课题。近3 0 多年来，一类性能优良的新型表面活性剂， g e m i n i 表面活性剂，正逐渐成为国际胶体科学与相关领域的研究热点。许多实验的结 果表明g e m i n i 表面活性剂具有较单烷烃链和单离子头基组成的传统表面活性剂高得多 的表面活性和更多的优良性能。g e m i n i 表面活性剂【2 j 也称d i m e r i c ( 二聚) 、o l i g o m e r i c ( 低聚) 表面活性剂。g e m i n i 是天文学用语，意思是双子星座，像“连体婴儿”，形象 地表达了这类化合物在结构上的特征。中文译为双子、双星、双联、孪连等【3 ，4 】意思， 本文称作孪连表面活性剂，意为“孪生联体”。 1 1 1 孪连表面活性剂的发展 孪连表面活性剂的研究开始于1 9 7 1 年，b u n t o n 等p j 首次合成了一类阳离子型 g e m i n i 表面活性剂烷基一q ，( ) 一双二烷基双甲基烷基溴化铵，对它们的表面性质和临 界胶束浓度进行了研究，并用于有机反应的催化剂。1 9 7 4 年d e i n e g a 等合成了一族 g e m i n i 表面活性剂。1 9 8 8 年日本的o s a k a 大学的o k a h a r a 等合成并研究了柔性基团联 接离子头基的若干双烷烃链表面活性剂【6 】。1 9 9 0 年，伴随阴离子型g e m i n i 表面活性剂 的合成【7 ，8 】，揭开了此类表面活性剂系统研究工作的序幕。1 9 9 1 年美国e m o r y 大学的f m 东北大学硕士学位论文 第一章引言 究小组和山东大学胶体与界面科学教育部重点试验室的李干佐小组。2 0 0 1 年后有关合 成的报道相继出现【1 2 19 1 。目前对孪连表面活性剂的介绍【2 0 、2 2 1 ，多以分子结构和合成工 作为主，而在性质( 如胶团化及其规律，胶团热力学等) 和应用方面虽有涉及但较为粗 略。 1 1 2 孪连表面活性剂的分子结构与分类 1 1 2 1 分子结构 传统表面活性剂的分子结构，是由一个亲水基团和一个疏水基团构成的不对称的 “两亲”结构。而孪连表面活性剂的结构较为特殊，其分子中至少含有两个亲水基( 离 子或极性基团) 和两条疏水链，在其亲水基或靠近亲水基处，由联接基团通过化学键( 共 价健或离子键) 联接在一起。图1 1 给出了孪连表面活性剂和传统表面活性剂的分子结构 示意图。 r 2 i ( a ) ( b ) 图1 1孪连和传统表面活性剂的分子结构比较简图 f i g1 1 a n de v e nt h et w i nt r a d i t i o n a ls u r f a c t a n t sc o m p a r e dw i t ht h em o l e c u l a r s t r u c t u r ed i a g r a m 图1 1 ( a ) 为孪连表面活性剂分子结构示意图；而( b ) 和( c ) 是具有双烃链和单烃链的传 统表面活性剂分子结构示意图。其中，r 为疏水基团；i 为亲水基团；y 为联接基团。 从已合成的孪连表面活性剂的分子结构来看，r 、i 均可多于2 个，y 亦可多于1 个。 孪连分子的整体结构也可以是不对称的，即图1 一l 中的i l 1 2 ，r l r 2 。组成孪连的亲 水基可以是阳离子( 如季铵盐) 【2 3 2 5 】，阴离子( 如磷酸盐、硫酸盐、磺酸盐和羧酸盐等) 【2 6 2 8 1 ， 两性离子和非离子，这与传统表面活性剂相似；最近还出现了阴阳离子【2 9 】或离子对等种 类。疏水部分一般为c h 链( 长度约8 个 - - 2 0 个c 原子，有时会含有氧原子或苯基) ， 最近亦有c f 链出现。而联接基团则品种繁多，可以是短链( 2 个原子) 或长链( 2 0 多 个原子) ；刚性链( 如二苯乙烯) 或柔性链( 如多个亚甲基) ；极性链( 如聚醚) 或非极 性链( 如脂肪族和芳香族) 等。由图1 1 可见，孪连与传统表面活性剂在分子结构上 的明显区别是联接基团的介入，因此，孪连分子可看作是几个传统表面活性剂分子的聚 合体。在孪连的分子结构中，两个( 或多个) 亲水基依靠联接基团通过化学键而联接， ，_一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 由此造成两个( 或多个) 表面活性剂单体相当紧密的结合。这种结构，一方面增强了碳 氢链的疏水作用；另一方面，使亲水基( 尤其是离子型) 间的排斥作用因受化学键限制 而大大削弱。因此，联接基团的介入及其化学结构、联接位置、刚性程度及链长等因素 的变化，将使孪连的结构具备多样化的特点，进而对其溶液和界面等性质产生影响，使 之具备更加优良的物理化学特性，如：降低水溶液表面张力的能力和效率更加突出；具 有较高的表面活性：很低的k r a f f t 点；良好的钙皂分散力、润湿能力、起泡和泡沫稳定 性、增溶能力、抗菌能力和洗涤能力等。新近的理论研究和实验结果表明，孪连与传统 表面活性剂确实有较大的差别，它的出现无疑开辟了表面活性剂科学研究领域的新途 径。 1 1 2 2 分类 孪连表面活性剂有不同的分类方法。根据亲水基所带电荷种类可分为阳离子型( 铵 盐型、季铵盐型) ；阴离子型( 磺酸盐型、硫酸盐型、羧酸盐型和磷酸盐型) ；非离子型 ( 聚氧乙烯型、脂肪酸多元醇酯型) ；两性离子型( 双磺基甜菜碱型) 和混合型( 阴阳 离子、离子对、阴离子一非离子、阳离子一非离子) 。根据疏水链的种类可分为碳氢型 和碳氟型；根据连接基的亲疏水性、刚柔性又可分为不同的种类。 近年来出现了一些特殊结构的孪连表面活性剂【3 0 1 ，如立体异构阴离子型、离子对 型、糖苷非离子型等。作为孪连表面活性剂的衍生物，出现了三聚体、四聚体以及包含 2 0 个疏水链的树枝状聚合体表面活性剂【3 1 弱j 。 由于 能。 1 1 3 1 传统 向，在界 了朝向空 通过联接 链间容易 排列更加 通常 种表面活 东北大学硕士学位论文第一章引言 ( 0 0 0 8 3 w t ) ，并和十二烷基三甲基溴化铵( d t a b ) 的c 2 0 值( 0 2 1 w t ) 进行了比较， 指出其降低表面张力的效率约为单基的2 0 倍。 表面活性剂的c m c 值与疏水链碳原子数密切相关。传统表面活性剂由于要保持水溶 性而限制了碳链的长度。孪连表面活性剂由于分子中有两个亲水基团，允许碳链较长， 因此c m c 值较小。另外，孪连表面活性剂分子暴露在最外层的c h 3 基团数是传统表面 活性剂的2 倍，这引起大幅度表面能降低，c m c 值急剧下降。范歆【2 1j 等研究表明孪连表 面活性剂的c m c 值比传统的单链表面活性剂至少要低1 个一2 个数量级，而c 2 0 要低2 个一3 个数量级。其y 。m 。值也很低。 1 1 3 2 克拉夫特点和水溶性 孪连表面活性剂的克拉夫特点都很低，一般在0 。c 以下，孪连表面活性剂的具有较 低的克拉夫特点的特性为其应用提供了方便。而且一般来讲孪连表面活性剂都具有好的 水溶性，其羧酸盐甚至在硬水中水溶性也很好，孪连表面活性剂的这一性质主要归因于 它的两个