新型Gemini表面活剂及其研究进展论文.doc

燕 京 理 工 学 院高分子材料论文题目 新型Gemini表面活性剂及其研究进展学号 120120085班级 高材1204姓名 包骏基日期：2015年4月26日新型Gemini表面活性剂及其研究进展摘 要Gemini 型表面活性剂是一种具有特殊结构的新型表面活性剂, 被称为第三代表面活性剂，且其优良的性能受到越来越多的关注。总结了近几年来国内外Gemini 型表面活性剂的最新研究成果,对其结构、性能和应用作了较全面的评述。 关键词：新型表面活性剂，工业助剂，性能优异，应用广泛AbstractThe specific properties of Gemini surfactants was known as“The Third Generation”and its excellent functions were being taken into consideration .in this paper,the recent progress of Gemini surfanctants In side and out are summarized ,in the meantime ,its strcture property and application integrity assessment are discussed.Keywords：surface active agent，industrial additives，excellent performance，widely applicable.前 言表面活性剂是重要的工业助剂之一，可显著改变物质表(界)面的物理化学性质，具有乳化、分散、絮凝、润湿、发泡、铺展、渗透、润滑、抗静电以及杀菌等功能。传统的表面活性剂分子由一条疏水链和一个亲水头基组成。由于分子结构不对称而产生自组织行为和降低水溶液表(界)面张力的能力。1991年Menger合成了以刚性基团联接离子头基的双烷烃链表面活性剂，并给这类顺序排列的两亲分子命名为：Gemini（双子）表面活性剂。该表面活性剂是一族性能优异的新型表面活性剂，其分子中含有两条疏水链、两个亲水基和一个间隔基团，间隔基团可以是柔性基团或刚性基团。( I 为疏水链; R 为亲水基; Y 为联接链) A ,B 为 Gemini 型表面活性剂C 为普通型表面活性剂根据亲水基所带电荷种类可分为阳离子型（胺盐型、季铵盐型）、阴离子型（磺酸盐型、羧酸盐型、磷酸盐型、硫酸盐型）、非离子型（聚氧乙烯型、脂肪酸多元醇酯型）、混合型（阴阳离子、离子对、阴离子-非离子、阳离子-非离子）等。根据疏水链的种类可分为碳氢型和碳氟型。根据间隔基团的不同可分为刚性基团（如亚二甲苯基、对二苯代乙烯基）和柔性基团（聚亚甲基、聚氧乙烯基、杂原子等）。2 Gemini 表面活性剂优异的物化性能 Gemini表面活性剂独特的分子结构赋予其独特的性能，相比传统表面活性剂，其具有如下优异性能。2.1 高表面活性在Gemini 表面活性剂中, 联接链用化学键将两个带有相同电性的离子头基连接起来, 使离子头基间的静电斥力减弱, 有效促进了分子在溶液表面吸附层中紧密排列, 并且加强了碳氢链间的疏水结合力, 因此比普通表面活性剂具有更高的表面活性，由于Gemini 单元分子合适的几何形状以及在分子聚集过程中两根烷烃链同时发挥疏水作用, Gemini表面活性剂的cmc 比普通表面活性剂低13个数量级, 应用时浓度可以大大降低，使其在较小的浓度下即可达到超低界面张力故可大幅度提高驱油效率。2.2 良好的水溶性离子型Gemini表面活性剂的Krafft点（表面活性剂溶解度显著增加时）一般在0以下，水溶性良好，羧酸盐型甚至在硬水中也保持良好的溶解性。这主要归因于分子中含有两个亲水基团，分子结构特殊，不易在晶格中堆积；此外，联接基团中的醚氧原子的亲水性也是原因之一。双子表面活性剂好的水溶性，可提高工作效率，改善采油效果。2.3 高的增溶能力增溶作用只发生在CMC以上，Gemini表面活性剂的CMC比常规表面活性剂低，在水溶液中更易形成胶束，故增溶性更强。增溶性强，则增溶相同量原油所需的Gemini表面活性剂浓度比传统表面活性剂低，这对于微乳液驱油技术具有潜在的意义。2.4 优异的协同作用表面活性剂之间的相互作用主要是由离子头基之间的静电引力引起的，故有两个离子基团的Gemini表面活性剂与常规表面活性剂之间的协同作用，比常规表面活性剂之间的协同效应强得多。Gemini表面活性剂以传统表面活性剂复配体系良好的协同效应为降低双子表面活性剂实际应用成本提供一条有效途径。2.5 独特的流变性具有短联接链的Gemini型表面活性剂, 其胶束的稀溶液具有特殊的流变性。浓度很低时, 其黏度和水相似, 当浓度达到一定值时, 黏度迅速增大, 在某一浓度时, 黏度达到最大值。这是由于Gemini 型表面活性剂分子易形成棒状或线状等大尺寸的分子聚集体, 在剪切力诱导下, 产生线状胶束缠结, 因而在较低浓度时就能达到很高的黏稠度。若再进一步增加表面活性剂的浓度, 导致其聚集体形态的改变, 胶束间缠结减少, 溶液黏度反而减小。2.6 相行为Gemini 型表面活性剂溶于水时形成溶致型液晶,加热时则形成热致型液晶。对于m- s- m Gemini 型表面活性剂, 联接链的长度对于二元表面活性剂和水的混合物的相态性质具有很大的影响。例如, 对于侧烷基疏水链m 为12 的Gemini 型表面活性剂, 在一定的浓度范围内, 所形成的溶致型液晶随s 的增加逐渐减少, 当s 为10 或12 时液晶态完全消失, 而当s16时, 溶致型液晶又重新出现。而侧烷基疏水链长度对相态的影响并不是很明显。在水/ 油/m- s- m 表面活性剂三相体系中, 相图中微乳液区域( 单相区) 的面积与s 成非线性关系的, 当s 约为10 时达到最大值。2.7 聚集数Gemini 型表面活性剂端基极性的增加、联接链碳数的减小可提高聚集数N、胶束的尺寸和胶束的水合作用。对于阳离子Gemini 型表面活性剂, 端基极性的增加可提高聚集趋势。对于m- s- mGemini 型表面活性剂, 在相同温度和浓度条件下, 联接链s 越小, 胶束聚集数越大。Krafft 温度达到最小值时, 胶束数量达到最大。3 Gemini型表面活性剂应用3.1 在织物方面的应用性能化学纤维具有较高的介电系数和电阻系数,易带静电,易使服装织物吸附灰尘、纠缠肌体产生黏附不适感等,从而影响它的实用性能,降低了织物的品质。为了改善化学纤维的抗静电性能,采用纤维改性或加入表面活性助剂的办法,改善织物手感、防止吸尘吸灰。其中最突出的就是具有特殊的双亲水亲油结构的gemini型表面活性剂,它具有极高的表面活性和许多优异的性能,得到了研究者的极大关注,被称作“21世纪新型表面活性剂”。 新型系列gemini型含咪唑啉非对称结构双季铵盐表面活性剂S - HSJ对多种织物具有抗静电性、柔软性、再润湿性等,可在偶联剂和交联单体的作用下,增强与纤维表面交联附着,形成立体包覆膜,提高耐水洗性能。3.2 油气开采领域的应用随着油田的注水开发, 靠注水采油已越来越困难,使用化学驱( 三次采油) 提高原油采收率已成为油田开发的主要研究方向之一。和传统表面活性剂相比, 阴离子型Gemini 表面活性剂具有高的表( 界) 面活性、优良的水溶性和抗温抗盐性、在地层低的吸附损耗等优点,较其他类型Gemini 表面活性剂更适合于在油气开采中应用。( 1) 利用其特有的低剂量( 300 500 mgL- 1) 下超低油水界面张力及良好的油湿反转性能, 可以极大地提高油湿地层原油采收率, 特别是低渗油藏采收率。( 2) 可用于新型清洁压裂液的配制, 彻底解决现有含聚压裂液对油层的污染问题, 1%的CA- 6 溶液黏度高达100 mPas。( 3) 用于原油集输系统和注水系统的缓蚀与杀菌。( 4) 用于注水井的降压与增注, 以及深层稠油井筒的乳化降黏。3.3 在造纸工业中的应用在造纸工业中作为纤维分散剂,抗静电剂,防霉杀菌剂,废纸脱墨剂等方面具有重要实用价值和广阔的开发前景。在纤维分散剂方面：对于造纸过程来说,纤维、填料和一些助剂等都是水不溶性的,它们有在水溶液中自行聚集的趋势,而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离。这样就难以得到性能均匀、强度理想的纸张。孪连表面活性剂有强的润湿、渗透性能,它显著降低水的表面张力,改善了纤维表面的润湿程度,提高了分散度。另外,它在分散相表面定向吸附,产生相互斥力,防止了分散相的絮聚。Gemini表面活性剂非常符合分散剂要求界面吸附紧密牢固的需求,它至少有2个头基,因此吸附牢固。抗静电剂：Gemini表面活性剂具有独特的双亲水基、双亲油基以及间隔基结构,降低界面张力的效率和能力明显高于常规表面活性剂,吸附更牢固,定向排列更紧密,导致具有较两性表面活性剂更好的抗静电效果。两性表面活性剂与少量孪连表面活性剂协同作用的结果, 增强了体系抗静电性, 保持了较低使用浓度。废纸脱墨剂：表面活性剂在废纸脱墨中的作用是促进纤维与油墨润湿、增溶、渗透、膨胀、乳化与油墨结合,使之分散在溶液中,防止油墨重新与纤维结合,然后进行絮凝、捕集、洗涤,将油墨除去。3.5 在其他方面的应用（1）Gemini 型表面活性剂中含有氮原子等杂原子,可以吸附在金属表面, 明显地改变金属的抗腐蚀性能, 因此被用作金属的防腐蚀剂。（2）由于Gemini 型表面活性剂具有很强的表面活性,因而常被人们用作去污剂来清除液体中的污染物。Gemini 型表面活性剂对固体, 如石灰石、黏土、蒙脱土和沙同样具有去污能力, 且其去污能力比传统的表面活性剂强。（3）液态环境中一些小分子会拉长聚集成棒状、丝带状、螺旋状或细管状结构, 当这些结构足够长时, 相互缠结, 将溶剂分子包含在自己的网络结构中, 从而形成凝胶。（4）精氨酸Gemini 型表面活性剂可绑定内毒素和抑制细菌活性, 从而达到治疗革兰氏阴性细菌以及杀死真菌的目的。（5）用Gemini 型表面活性剂作为基因转染载体可实现将DNA 作为药物的目的, 特别是治疗基因性疾病的药物。4 展 望Gemini型表面活性剂因其独特的结构和性能以及广泛的应用前景而备受关注，下面几个方面仍是未来发展方向。4.1 优化合成工艺除对称性阳离子双子表面活性剂可一步合成外，大多数双子表面活性剂均需两步以上，且中间产物还需要分离和纯化，难以实现“一锅煮”；一步法虽合成工艺简单，但其原料不常见且成本太高。选用廉价的原料采用先进合成方法（如微波合成）是未来研究方向。4.2 开展复配研究双子表面活性剂与普通表面活性剂及添加剂的复配为降低成本提供途径，双子表面活性剂与新型抗盐疏水缔合聚合物复配驱油体系在三次采油中应用前景广阔。4.3 提高产品产率阴离子和非离子型双子表面活性剂因其原料来源广而备受关注，但其分离提纯困难，产率较低。如何优化合成环节，引入新的提纯手段，提高产品产率为降低成本指明方向。4.4 开发新型产品不对称双子表面活性剂在分子结构上具有更多可调性，可构筑新颖结构的分子有序聚集体；低聚表面活性剂及两性离子双子表面活性剂抗温抗盐性好，利于启动深层特稠油，有望在三次采油中取得突破，成为未来发展趋势之一。参考文献：杨青,曹丹红,方波.一种新型双联两性表面活性剂的合成与性能J. 高校 化学工程学报,2009,23(1) :110-115查敏,丁运生. 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