Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的合成及性能研究

Gemini表面活性劑是由兩個雙親分子的離子頭基經連接基團通過化學鍵連接而成，又稱雙子表面活性劑。與傳統表面活性劑相比，具有許多優點，如低臨界膠束濃度(CMC)、低Krafft點、低溫水溶性、潤濕性、流變性、增溶性等。與傳統表面活性劑復配成混合體系產生的協同效應可有效降低表面張力，并具有很好的鈣皂分散能力，廣泛應用于乳化、清潔、油田開發[1～3]等領域。目前對Gemini表面活性劑的研究很多[4～9]。

作者在此以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷為主要原料合成一種對稱的Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑[10,11]，并對其性能進行了測試。

反應方程式為：

1 實驗

1.1 試劑與儀器

十二烷基二甲基叔胺，分析純，天津瑞金特化學品有限公司；1，3-二氯丙烷，分析純，上海三思試劑有限公司；正丙醇、鹽酸，分析純，石家莊永正化工有限公司；丙酮，分析純，江蘇省泰興市化學試劑廠;鈉基膨潤土，工業級，成都優武特科技有限公司。

WRS-1B型數字熔點儀，上海精密科學儀器有限公司；Avator 360型FTIR紅外光譜儀，美國Nicolet公司；DDSJ-308A型電導率儀,上海第二分析儀器廠；TDL-5-A型低速大容量離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽的制備[12]

在攪拌狀態下，往三口瓶中加入適量的蒸餾水和鹽酸溶液；緩慢加熱，控制溫度在40℃左右，滴加適量的十二烷基二甲基叔胺，攪拌反應2 h,冷卻，即得十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽。

1.2.2 Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的合成

反應溶劑選用正丙醇-水溶液。將十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽、十二烷基二甲基叔胺、1，3-二氯丙烷、正丙醇按一定比例混合，在回流溫度下攪拌反應20 h，減壓蒸餾，即得Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑粗品。

1.2.3 產品純化

用丙酮對Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑粗品進行重結晶，真空干燥，密封保存。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的IR光譜結果表明：2920 cm-1、2855 cm-1處為-CH3、-CH2-的伸縮振動吸收峰；1467 cm-1處為-CH3、-CH2-的對稱彎曲振動吸收峰；500～720 cm-1和1000～1200 cm-1處為C-C、C-Cl、C-N的特征吸收峰。

2.2 熔點的測定

用WRS-1B型數字熔點儀對合成的Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑進行熔點測定。結果表明，Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑在190℃開始融化，195℃融化完全。這可能是因為反應過程中有少量單季銨鹽生成，致使熔點有一個變化區間。

2.3 臨界膠束濃度(CMC)的測定[13,14]

CMC是表面活性劑在界面吸附達到飽和、開始形成膠團時的濃度，是表面活性劑的重要性能參數，可作為其表面活性的量度。當表面活性劑的濃度達到CMC時，溶液的表面張力降低至最低值，若再提高表面活性劑的濃度，表面張力不再降低而形成大量膠團。CMC值越小，表面活性越好。離子表面活性劑在水溶液中會電離出帶電荷的離子，表面活性劑的濃度小于CMC時表現為電解質的導電行為；一旦達到CMC，表面活性劑開始形成膠團，此時溶液的許多性質如表面張力、滲透壓、電導率、摩爾電導率等都會發生突變。

室溫下，Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的電導率-濃度曲線如圖1所示。

圖1 電導率-濃度關系曲線

由圖1可以看出，曲線在某個濃度有個突變，該點即為電導率發生突變的位置，所對應的濃度即為CMC,其值為9.68×10-4mol·L-1，比傳統表面活性劑的CMC值低2～4個數量級，證明產物為高性能的表面活性劑。

2.4 發泡性和穩泡性的測定[15]

陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)具有很強的發泡性。將合成的Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑配制成0.1%的水溶液，在室溫下測量其發泡性和穩泡性，并與SDS進行比較，結果見表1。

表1 發泡性和穩泡性/mL

Tab.1Epispasticcharacterandstabilizationforbubble/mL

表面活性劑起始液高瞬時液高30 min后液高Gemini季銨鹽250 300 300 SDS250 345 338

由表1可以看出，合成的Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的發泡性不及SDS，但是穩泡性能非常好。

2.5 防膨率的測定

Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑可作為油田注采用的粘土防膨穩定劑，有效防止粘土水化膨脹，保證采油通暢。

根據中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 5971-94,采用離心法對合成的Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑進行防膨率的測定，結果見圖2。

圖2 Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的防膨率-質量分數曲線

由圖2可知，當Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑質量分數為 8‰時，其防膨率達到最大，為85.3%，防膨效果良好。

3 結論

以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷為主要原料合成了Gemini季銨鹽表面活性劑，其CMC值為9.68×10-4mol·L-1，熔點為190℃，防膨率為85.3%，發泡與穩泡性能良好，表面活性高，是一種高性能的Gemini陽離子表面活性劑。

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