異構(gòu)十三碳醇乙氧基化合物是實(shí)現(xiàn)工業(yè)及公共設(shè)施清潔可持續(xù)性發(fā)展的推動(dòng)力

張金龍 羅凌麗 杜若訥

（巴斯夫新材料有限公司，上海，200137 ）

前言

可持續(xù)性正對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步變得日益重要。到2050年，將會(huì)有超過九十億人在地球上生存。如果我們不對(duì)自身的生活和生產(chǎn)方式加以改變，那么幾乎需要三個(gè)地球的資源才能滿足如此龐大的人口需求。因此，人類正面臨來自于全球的巨大挑戰(zhàn)。

可持續(xù)性解決方案的開發(fā)對(duì)于應(yīng)對(duì)這類挑戰(zhàn)至關(guān)重要。對(duì)于包含了眾多工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)及公共設(shè)施清潔，可持續(xù)性解決方案顯得尤其重要。毫無疑問，在滿足當(dāng)今工業(yè)和未來工業(yè)對(duì)可持續(xù)性發(fā)展的征途中，科技和創(chuàng)新是推動(dòng)可持續(xù)性解決方案的重要力量。對(duì)于工業(yè)及公共設(shè)施清潔而言，它需要的是可以促進(jìn)行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的由化學(xué)品和清洗配方組成的解決方案。毋庸置疑，化學(xué)提供了可持續(xù)性解決方案的組成元素。

本文向我們展示了Lutensol?TO這一類異構(gòu)十三碳醇乙氧基化合物如何通過取代NPEO、節(jié)水節(jié)能以及濃縮化配方來促進(jìn)工業(yè)及公共設(shè)施清潔（I&I）可持續(xù)性發(fā)展和成本節(jié)約。

壬基酚聚氧乙烯醚（NPEO）因其自身出色的乳化力和潤(rùn)濕力而廣泛應(yīng)用于紡織、工業(yè)及公共設(shè)施清洗以及農(nóng)化領(lǐng)域。然而，近年來NPEO對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響以及由此引起的法律法規(guī)問題極大地限制了此類表面活性劑的生產(chǎn)和應(yīng)用[1]。就I&I用戶而言，對(duì)于能夠提供具有可持續(xù)性和高性價(jià)比優(yōu)點(diǎn)的NPEO替代物的需求日益增加。替代物的標(biāo)準(zhǔn)就是環(huán)境友好，出色的性能和本土化供應(yīng)。

1 NPEO的取代：在金屬清洗和商業(yè)洗衣應(yīng)用的性能評(píng)估

在尋找壬基酚烷氧基化合物的替代物時(shí)，第一步便是尋找具有相似性能的疏水部位。如圖1所示，對(duì)比分析NPEO和Lutensol?TO疏水端üü醇的碳鏈長(zhǎng)度和支化度，可以發(fā)現(xiàn)Lutensol?TO是最接近NPEO。相對(duì)于NPEO，Lutensol?TO在結(jié)合了一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還兼顧了產(chǎn)品的安全性和生物降解性[2]。

第二步便是找出理化特性接近的替代品，如親水親油平衡值（HLB）和濁點(diǎn)（CP）。如圖2所示，在相同的HLB值下，Lutensol?TO具有與NPEO最接近的濁點(diǎn)。基于以上對(duì)比，理論上，Lutensol?TO應(yīng)當(dāng)具備和NPEO在工業(yè)上的類似應(yīng)用性能。

圖1 各類醇乙氧基化合物疏水端的碳鏈長(zhǎng)度和支化度結(jié)構(gòu)的對(duì)比圖

圖2 Lutensol? TO和NPEO的濁點(diǎn)和HLB值對(duì)比圖

Lutensol?TO是NPEO最理想的取代物，因?yàn)樗邆湟韵滦阅埽?/p>

* 易生物降解（OECD）

* 相當(dāng)水平的乳化性能

* 更好的潤(rùn)濕性能

* 更好的去污性能

* 更低的凝膠傾向

乳化性能：

眾所周知，表面活性劑對(duì)油的乳化性能取決于油的種類、乳化方法、表面活性劑用量以及水的硬度。以下結(jié)果比較了NPEO和Lutensol?TO在不同條件下的乳化性能。

長(zhǎng)時(shí)間乳化性能實(shí)驗(yàn)方法：乳液通過機(jī)械攪拌制備，具有更小而均勻的初始液滴粒徑。本測(cè)試（BASF測(cè)試法）通過混合油（此處是石蠟油和葵花籽油）、水和表面活性劑，控制其油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%，添加1%的乳化劑，使水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在69%，在23oC下進(jìn)行機(jī)械乳化，記錄直至10%的油層（高度）析出的時(shí)間，即乳液分層時(shí)間。如圖3和圖4所示，Lutensol?TO比NPEO對(duì)石蠟油具有更好的乳化穩(wěn)定性，而且Lutensol?TO可以提供更加寬泛的HLB適用性。對(duì)于葵花籽油，如果選擇合適的HLB值，Lutensol?TO可以表現(xiàn)出比NPEO更好的乳化性能。

圖3 各種醇乙氧基化合物與NPEO對(duì)石蠟油的長(zhǎng)時(shí)間乳化性能對(duì)比（不同HLB值下，10%油層析出時(shí)間）

圖4 各種醇乙氧基化合物與NPEO對(duì)葵花籽油的長(zhǎng)時(shí)間乳化性能對(duì)比（不同HLB值下，10%油層析出時(shí)間）

短時(shí)間乳化性能對(duì)比：對(duì)于表面活性劑，除了考察長(zhǎng)時(shí)間乳化力以外，不少清洗應(yīng)用需要表面活性劑在少量能量作用下，就能達(dá)到快速乳化油污的效果，即短時(shí)間乳化力。這樣的乳化實(shí)驗(yàn)通常是通過手動(dòng)震蕩完成。張惠文等[3]報(bào)道了如下的測(cè)試條件和結(jié)果：45oC下，制備了一系列具有不同硬度但pH均為11的0.5%表面活性劑水溶液。隨后，加入2mL測(cè)試油，通過手動(dòng)震蕩完成乳化，震蕩結(jié)束立刻檢測(cè)乳液穩(wěn)定性。在如上所述的測(cè)試中，乳化油是典型的國(guó)內(nèi)金屬加工油（包括5號(hào)白油、發(fā)動(dòng)機(jī)油和軋制油），測(cè)試水的硬度包括了軟水、150ppm硬水和300ppm硬水。測(cè)試對(duì)比了基于壬基酚（NP）、支鏈化十三碳醇（Lutensol?TO類）和線性12/14碳醇（AEO）的乙氧基化合物乳化性能。測(cè)試結(jié)果列在下表1中，字母后面的數(shù)字表示了分子中平均乙氧基化程度。結(jié)果表明：Lutensol?TO8和NP9具有相似的乳化性能，而在高硬度水中，Lutensol?TO8對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油和5號(hào)白油的乳化力均優(yōu)于NP9和AEO9。

總體來看，不管是使用BASF測(cè)試方法還是使用其他工業(yè)測(cè)試法，Lutensol?TO在短時(shí)間乳化效率和長(zhǎng)時(shí)間乳化穩(wěn)定性上都和NPEO處于相當(dāng)水平，在一些特定的場(chǎng)合下還優(yōu)于NPEO。

表1 Lutensol? TO8、NP9和AEO9乳化性能對(duì)比

潤(rùn)濕性能：

乳化力是所有清洗應(yīng)用中都需要考量的性能，而對(duì)織物的潤(rùn)濕力則是對(duì)商業(yè)洗衣房應(yīng)用最關(guān)鍵性能。表5是一系列潤(rùn)濕測(cè)試的結(jié)果。測(cè)試對(duì)比了不同系列壬基酚（NP）、線性12/14碳醇（AEO）和支鏈化十三碳醇（Lutensol?TO類）乙氧基化合物的潤(rùn)濕性能。測(cè)試是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN1772）[4]完成的，即將一塊棉布用一種規(guī)定形狀的夾具浸入40oC水溶液中，水溶液中含有1g/L表面活性劑和2g/L蘇打，記錄織物從浸入水中到完全落下的時(shí)間。越短的落下時(shí)間表明表面活性劑溶液移除織物內(nèi)固定氣泡的速度越快，即表明具有更好的潤(rùn)濕性能。對(duì)比圖5中藍(lán)線（Lutensol?TO）和紅線（NPEO）時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)Lutensol?TO的潤(rùn)濕性能要明顯好于NPEO。

圖5 Lutensol? TO和NPEO對(duì)棉織物潤(rùn)濕性能的對(duì)比

在配 方中的潤(rùn)濕和乳化性能

以上列舉的例子都是基于單個(gè)表面活性劑性能的對(duì)比。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中非離子表面活性劑基本都是作為配方的一部分，配方中往往包括陰離子表面活性劑、溶劑和鰲合劑等等。因此，對(duì)比含有NPEO和Lutensol?TO配方的相關(guān)性能很有必要。盧志敏等[5]發(fā)表了一篇相關(guān)研究，闡述了如何將非離子表面活性劑、磺酸鹽陰離子表面活性劑和助溶劑二丙烯乙二醇丁醚進(jìn)行復(fù)配，并對(duì)比配方的乳化性能。文章的重點(diǎn)是對(duì)比NPEO與Lutensol?TO和AEO7、AEO9混合物在這類配方中呈現(xiàn)的乳化性能。

根據(jù)文章中簡(jiǎn)述的測(cè)試方法，對(duì)不同配方溶液的乳化力和潤(rùn)濕性能進(jìn)行測(cè)試比較。潤(rùn)濕：測(cè)試棉布在1.5%表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)水溶液中下落6cm的時(shí)間。乳化：在100mL具塞量筒中混合40mL 0.1%表面活性劑水溶液和40mL白油，3次時(shí)長(zhǎng)為10min的手動(dòng)震蕩，每次間隔1min，記錄10mL油分層析出的時(shí)間。結(jié)果顯示：通過復(fù)配直鏈醇乙氧基化合物，配方的乳化性能不能達(dá)到NPEO配方的性能。舉例而言，NP10的乳化性能遠(yuǎn)好于AEO7∶AEO9為1∶1的乳化性能。而通過復(fù)配Lutensol?TO支鏈醇乙氧基化合物，配方的乳化性能和潤(rùn)濕性能得到極大地改善。通過優(yōu)化配方中的溶劑和表面活性劑，有些配方的性能能夠達(dá)到甚至超越復(fù)配NPEO的配方，正如文例所示 TO10、AEO7和二丙烯乙二醇丁醚 的復(fù)配組合。

商業(yè)洗衣房條件下的去污性能對(duì)比

一個(gè)好的商業(yè)洗衣房配方通常會(huì)兼顧如下幾個(gè)方面：包括對(duì)織物良好的潤(rùn)濕力，對(duì)油污的強(qiáng)乳化力和針對(duì)復(fù)雜特殊顆粒油污的高效去除力。典型的商業(yè)洗衣房乳化劑配方不僅僅包含單一的非離子表面活性劑，它們至少包含兩種非離子表面活性劑，這些非離子表面活性劑具有相同或不同的親水端，但其烷氧基化程度肯定不一樣。這樣的組合可以確保配方在兼顧污漬去除的同時(shí)對(duì)泡沫進(jìn)行控制。

在接下來的測(cè)試中，我們通過復(fù)配不同非離子表面活性劑于一個(gè)典型的商業(yè)洗衣配方來測(cè)試一系列商業(yè)洗衣房污漬的去污力，來對(duì)比不同程度乙氧基化的Lutensol?TO組合和不同程度乙氧基化的壬基酚聚氧乙烯醚組合的去污力，后者是中國(guó)商業(yè)洗衣配方的主要成分。測(cè)試配方：4%直鏈烷基苯磺酸鹽，12%非離子表面活性劑（可以是單一組分也可以是混合物），2.5%皂，0.5%丙烯酸均聚物鈉鹽（Sokalan?PA 25 Cl FR），5%NaOH，15%三乙醇胺和5%單乙醇胺。測(cè)試污布包括JB03（皮脂棉布），WFK30C（羊毛脂聚酯布）和WFK10C（羊毛脂棉布）。洗滌條件：污布在Launder-O-Meter中75oC下洗滌15min，水的硬度調(diào)節(jié)為250mg CaCO3/L（Ca/Mg=3∶2），洗滌后使用100ppm硬度自來水漂洗4min。

圖6 Lutensol? TO5、Lutensol? TO8組合與NP10、NP4組合洗滌性能對(duì)比

5∶3比例的NP10/NP4復(fù)配組合是一種典型且廣為接受的傳統(tǒng)NP組合。圖6對(duì)此組合的清洗效果與應(yīng)用于商業(yè)洗衣的一系列Lutensol?TO組合進(jìn)行了對(duì)比，也就是Lutensol?TO5和Lutensol?TO8的組合。結(jié)果顯示對(duì)于圖中所列組合，Lutensol?TO5和Lutensol?TO8都展現(xiàn)出了與NP4和NP10類似的去污力，有些甚至優(yōu)于后者，從這點(diǎn)來看，Lutensol?TO的確是NPEO的最佳替代品。

商業(yè)洗衣房的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果

在張惠文的文章中，他對(duì)比了NPEO及其混合物、Lutensol?TO、椰油酰胺丙基甜菜堿和非離子表面活性劑組合的性能。使用的測(cè)試方法如下：將污布JB01（碳黑棉布），JB02（蛋白棉布），JB03（皮脂棉布）和辣椒油布在硬度為250mg CaCO3/L（Ca/Mg=3∶2）的75oC水中洗滌，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)至0.3%，表面活性劑濃度為0.07%，水溶液的pH調(diào)節(jié)在11.9～12.0，超聲洗滌織物樣品6min。

表2是污布的清洗結(jié)果對(duì)比，對(duì)所測(cè)試表面活性劑組合的去污力做了排名。顯而易見：Lutensol?TO組合的去污力要優(yōu)于單個(gè)NPEO（NP9）以及NPEO組合（NP10+NP4）。

總而言之，商業(yè)洗衣的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果都清晰的表明：與NP4和NP10的組合相比較而言，Lutensol?TO8和Lutensol?TO5的組合或者Lutensol?TO10和Lutensol?TO5的組合具有相當(dāng)或者更好的去污力。在過去的3年中，國(guó)內(nèi)主流商業(yè)洗衣客戶已經(jīng)開始使用基于Lutensol?TO的配方作為替代NPEO配方的高效工具。

表2 不同非離子表面活性劑的去污力排名

2 NPEO取代-節(jié)能與節(jié)水

可持續(xù)性方面的需要

圖7給出了中國(guó)工業(yè)及公共設(shè)施清潔典型的成本結(jié)構(gòu)概覽[6]。從圖中可以非常清晰的看到：最大的貢獻(xiàn)來自水和能源，占到高達(dá)35%的比例，其次是人力成本，配方中的化學(xué)組分僅占整個(gè)清洗過程總成本的8%。因此，能夠降低水和能源消耗的配方組分對(duì)于整個(gè)行業(yè)來說是非常具有吸引力的，因?yàn)橛纱藥淼某杀窘档头浅ｏ@著。

圖7 工業(yè)及公共設(shè)施清潔工藝成本分析

可持 續(xù)性和節(jié)水：降低洗滌溫度

商業(yè)洗衣房最常用的溫度是75oC。對(duì)于新興市場(chǎng)譬如中國(guó)，持續(xù)的成本壓力使得終端客戶和設(shè)備供應(yīng)商不斷優(yōu)化洗滌工藝，降低洗滌溫度則能顯著降低洗滌成本。基于近年被洗滌織物的種類和污垢附著程度的變化，洗滌溫度趨于從75oC降至50oC，然而降低洗滌溫度總是意味著清洗效率的降低，因此，非常有必要對(duì)配方進(jìn)行改進(jìn)，從而補(bǔ)償因低溫帶來的洗滌力損失。圖8展示了NPEO（NP4和NP10的組合）復(fù)合配方由于降低洗滌溫度（75oC至50oC）而導(dǎo)致的洗滌效率損失。因此，尋找到一種在50oC時(shí)洗滌效率能夠被接受且不遜于NPEO的表面活性劑或其組合來取代NPEO是非常關(guān)鍵的。

表面活性劑篩選：對(duì)于給定的洗滌溫度，濁點(diǎn)是區(qū)分表面活性劑是否適應(yīng)此溫度的重要工具。當(dāng)在同樣的HLB值下對(duì)比Lutensol?TO和NPEO的濁點(diǎn)時(shí)，50oC的洗滌溫度下，與NP4與NP10（商業(yè)洗衣行業(yè)中使用非常廣泛的兩種表面活性劑）的濁點(diǎn)相比較而言，Lutensol?TO5更接近于50oC的洗滌工作溫度。圖9展示了Lutensol?TO和NPEO系列濁點(diǎn)與HLB值的關(guān)系概略圖，可作為篩選APEO替代物的便捷工具。

圖8 NP4和NP10在75oC和50oC時(shí)的去污力對(duì)比

圖9 在選定溫度區(qū)域內(nèi)Lutensol? TO和NPEO濁點(diǎn)的對(duì)比

性能評(píng)估：基于如上的篩選標(biāo)準(zhǔn)，我們對(duì)這兩類表面活性劑在實(shí)際商業(yè)洗衣配方中的表現(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估。圖10展示了配方和洗滌條件。圖11的對(duì)比結(jié)果清晰地展示了在50oC的洗滌溫度下，Lutensol?TO5和Lutensol?TO8的去污效果要優(yōu)于NP10和NP4，前者與前面的濁點(diǎn)-HLB值分析篩選結(jié)果一致。因此，可以得出結(jié)論：Lutensol?TO5適合于50oC的洗滌溫度。

圖10 配方和洗滌條件

根據(jù)圖11的結(jié)果，我們特別對(duì)比了75oC和50oC下復(fù)配各個(gè)表面活性劑配方的洗凈力（圖12所示）。正如預(yù)測(cè)，降低洗滌溫度會(huì)帶來洗凈性能的損失，而通過對(duì)比不同洗滌溫度下的洗滌結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)非常有趣的一點(diǎn)：就是50oC下Lutensol?TO5的洗凈力比NP4和NP10在75oC下更為出色。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)與基于直鏈C12/14脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO9）配方的洗凈力比較而言，相比之下支鏈化C13的Lutensol?TO類表面活性劑在同一測(cè)試配方中的洗凈力表現(xiàn)要更為出色。

總體來看，Lutensol?TO5和Lutensol?TO8不管是單獨(dú)使用或者復(fù)配使用，都能夠在較低的溫度下保持出色的洗凈力，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

可持續(xù)性和成本節(jié)約：節(jié)水及泡沫控制

圖11 50oC時(shí)各個(gè)復(fù)配表面活性劑配方的洗滌能力對(duì)比

圖12 不同表面活性劑復(fù)配配方在75oC和50oC時(shí)洗凈力的對(duì)比

對(duì)于商業(yè)洗衣房的客戶來說，有效而經(jīng)濟(jì)的泡沫控制至關(guān)重要，這其中非離子表面活性劑及其組合扮演著至關(guān)重要的角色。非離子的泡沫性能會(huì)隨著不同的應(yīng)用溫度條件而展現(xiàn)不同的性能，當(dāng)應(yīng)用溫度高于其濁點(diǎn)時(shí)，醇乙氧基化合物展現(xiàn)出低泡，甚至消泡的特性。大部分非離子表面活性劑的濁點(diǎn)都是低于75oC的洗滌溫度的，此溫度下的洗滌體系的泡沫比較易于控制。而將洗滌溫度由75oC降至50oC時(shí)，洗滌體系的泡沫控制是商業(yè)洗衣房面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。所以，在洗滌溫度降到50oC后通過調(diào)整表面活性劑組合來達(dá)到泡沫控制是十分必要的。在前文中，我們已經(jīng)介紹了低溫下Lutensol?TO5和Lutensol?TO8對(duì)洗凈力的貢獻(xiàn)。在接下來的篇幅里，我們將介紹它們對(duì)控泡的貢獻(xiàn)。

首先介紹一下動(dòng)態(tài)泡沫儀測(cè)試方法：通過循環(huán)泵發(fā)泡，8min后停止泵工作，記錄泡沫高度，待泡沫靜置5min后，再次記錄泡沫高度。由圖13所示：Lutensol?TO5的起始泡沫量和靜置后泡沫量都比NP10要少很多，在將Lutensol?TO5加入含有Lutensol?TO8的配方中后，泡沫顯著降低。因此，可以得出結(jié)論：Lutensol?TO5在50oC的洗滌溫度下同時(shí)具有高效的洗凈力和控泡力。

可持續(xù)性和成本節(jié)約：配方制備和各個(gè)組分的溶解性。

絕大部分非離子表面活性劑和水混合后都非常容易產(chǎn)生凝膠相，尤其在低溫時(shí)更為明顯。凝膠相缺點(diǎn)在于：配方制備過程中它們往往是配方的難點(diǎn)，需要加入溶劑來輔助溶解，或者升高溫度加速溶解。在配方使用過程中，這些凝膠相也會(huì)使得液體洗滌劑在水中溶解較慢，尤其在低溫時(shí)更為明顯。

圖13 50oC時(shí)Lutensol? TO5、TO8及其混合物與NP10的泡沫性能對(duì)比

如果液體洗滌劑配方能夠在較低的室溫下以較低的黏度制備，從工藝上能夠節(jié)約大量能源。配方的濃縮化同時(shí)也降低了包裝和物流的費(fèi)用。如果表面活性劑復(fù)配配方能在5～10oC這樣較低的溫度下，降低配方黏度，這將是對(duì)成本節(jié)約和可持續(xù)性發(fā)展最關(guān)鍵的貢獻(xiàn)。

圖14 Lutensol? TO與NPEO凝膠相對(duì)比

圖14 比較了乙氧基化程度不同的非離子表面活性劑在不同濃度水溶液下的黏度和凝膠傾向。顯而易見：支鏈化異構(gòu)13碳醇乙氧基化合物與NPEO表面活性劑相比，具有更低的黏度和更窄的凝膠相。因此，支鏈化異構(gòu)13碳醇乙氧基化合物能夠?yàn)榻档团浞降母唣ざ群湍z傾向提供一個(gè)很好的解決方案。

3 總結(jié)

總體來看，Lutensol?TO類支鏈13碳醇乙氧基化合物能夠通過三個(gè)方面對(duì)工業(yè)及公共設(shè)施清洗行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展和成本節(jié)約做出顯著貢獻(xiàn)：

圖15 Lutensol? TO較NPEO在性能上的優(yōu)點(diǎn)

第一，它們是完美、安全且環(huán)境友好的壬基酚聚氧乙烯醚化合物的替代方案（如圖15所示）。其次，在洗滌溫度由75oC降至50oC時(shí)，它們比壬基酚聚氧乙烯醚化合物具有更優(yōu)異的洗滌力和泡沫控制力，有利于節(jié)約能源。此外，Lutensol?TO類的支鏈13碳醇乙氧基化合物能夠通過降低配方黏度來促進(jìn)濃縮化進(jìn)程，帶來材料、能源和物流節(jié)約化，繼而降低生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和包裝處理各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量，促進(jìn)環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展。