2-十一烷基-N-磺酸基-N-羥乙基咪唑啉的合成及性能

劉 兵 ， 張 威 ， 王豐收

（1.中國日用化學(xué)研究院有限公司，山西太原 030000；2.上海發(fā)凱化工有限公司，上海 201505）

2-十一烷基-N-磺酸基-N-羥乙基咪唑啉（IMDCHPS）又被稱為咪唑啉磺酸鹽，是一種高效的咪唑啉類表面活性劑，低毒、溫和、無刺激、耐硬水，兼具良好的去污、起泡和乳化性等[1-3]。咪唑啉類表面活性劑被廣泛應(yīng)用于日用化工、油田化工、金屬表面處理、紡織、采礦等領(lǐng)域。目前市場上量產(chǎn)的咪唑啉類表面活性劑為羧酸鹽類[4]，相比咪唑啉羧酸鹽，咪唑啉磺酸鹽在耐鹽、乳化及緩蝕等方面表現(xiàn)更突出。國外學(xué)者對(duì)于咪唑啉磺酸鹽兩性表面活性劑在緩蝕方面的應(yīng)用研究較多，且取得了較大進(jìn)展[5-8]。隨著市場對(duì)高效表面活性劑的需求越來越大，合成表面活性更優(yōu)異的咪唑啉磺酸鹽勢在必行[9-11]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：月桂酸，羥乙基乙二胺（AEEA），3-氯-2-羥基丙磺酸鈉（CHPS-Na）、NaOH、H3PO4和IPA（分析純，上海晶純試劑有限公司），帆布（上海染料公司）。

儀器：VERTEX 70紅外光譜儀（德國布魯克公司），K100表面張力儀（德國克呂士公司），Ross-Miles泡沫儀（中國日用化學(xué)工業(yè)研究院）。

1.2 合成方法

IMD：在帶有溫度計(jì)、直形冷凝管以及電動(dòng)攪拌裝置的四口燒瓶中加入161.5 g月桂酸、60.0 g AEEA和0.4 g H3PO4，控制真空度為13.3 kPa，升溫至130～180℃進(jìn)行脫水酰胺化反應(yīng)，再升溫至230℃進(jìn)行咪唑啉環(huán)化反應(yīng)，蒸餾出未反應(yīng)的AEEA，降溫后得到黃色I(xiàn)MD。測定產(chǎn)物酸值，得月桂酸轉(zhuǎn)化率為98.6%。

IMDCHPS：在帶有溫度計(jì)、回流冷凝管及電動(dòng)攪拌裝置的四口燒瓶中加入CHPS-Na 43.9 g（過量），用IPA和H2O作為溶劑，攪拌溶解，再加入30.0 g IMD，升溫至90℃，加入NaOH 8.9 g，恒溫反應(yīng)5.0 h，得黃色液體即為目標(biāo)產(chǎn)物。通過測試產(chǎn)物中游離酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率為98.5%。合成路線如下：

1.3 測試

表面張力：將產(chǎn)物配制成一系列梯度濃度的溶液，在25℃下使用表面張力儀-吊環(huán)法測定。

耐無機(jī)鹽性能：分別配制0、0.4、0.8 mol/L的NaCl水溶液，測試對(duì)IMDCHPS表面張力的影響。

泡沫性能：根據(jù)GB/T 7462—1994，用改進(jìn)的Ross-Miles法進(jìn)行測試，分別記錄30 s、3 min和5 min時(shí)的泡沫體積。

潤濕性：根據(jù)GB/T 11983—1989，采用帆布沉降法測定，重復(fù)10次，取平均值。

乳化性能：室溫下準(zhǔn)確配制5.0 g/L IMDCHPS溶液，移取20 mL至量程為100 mL的具塞量筒中，再加入20 mL大豆油，蓋緊瓶塞，上下猛烈振蕩50次，靜置計(jì)時(shí)，記錄下層析出10 mL水所需的時(shí)間[12]。乳化時(shí)間越長，表示乳化能力越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 核磁共振氫譜

由圖1可知，4.80是重水的化學(xué)位移；0.90是—CH3的化學(xué)位移；1.20是長烷基鏈段上—CH2—的化學(xué)位移；3.31、3.25是咪唑啉環(huán)上—CH2—的化學(xué)位移；2.23是咪唑啉環(huán)鄰位（α位）上—CH2—的化學(xué)位移；1.60是羧基β位（間位）上—CH2—的化學(xué)位移；3.65是羥乙基上鄰近羥基的—CH2—化學(xué)位移，另一個(gè)—CH2—經(jīng)季銨鹽化，出峰在3.25；2.40～2.60是羥基丙磺酸上接咪唑啉的—CH2—化學(xué)位移；3.65是羥基丙磺酸上羥基鄰位氫的化學(xué)位移；4.10是羥基丙磺酸上磺酸基鄰位的—CH2—化學(xué)位移。由以上分析可知，目標(biāo)產(chǎn)物中含有烷基、咪唑啉環(huán)、季胺基團(tuán)和羥丙基磺酸鈉等主要官能團(tuán)。

圖1 IMDCHPS的核磁共振圖譜

2.1.2 紅外光譜

由圖2可知，1 461 cm-1為—CH3和—CH2—的彎曲振動(dòng)吸收峰，1 541 cm-1為N—H的彎曲振動(dòng)吸收峰，1 626 cm-1為CN的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 739 cm-1為CO的振動(dòng)吸收峰，2 854 cm-1為C—N的振動(dòng)吸收峰，3 292 cm-1為酰胺的振動(dòng)吸收峰，2 958 cm-1為亞甲基—CH2—的伸縮振動(dòng)峰，1 421 cm-1為—OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1 051 cm-1為—SO3的伸縮振動(dòng)峰，官能團(tuán)特征明顯。

圖2 IMDCHPS的紅外吸收光譜

2.2 IMDCHPS的性能

2.2.1 表面張力

由圖3可知，隨著產(chǎn)物濃度的增大，溶液表面張力顯著降低；當(dāng)增大至一定濃度時(shí)，溶液表面張力不再有明顯變化，cmc=9.0×10-4mol/L，γcmc=26.6 mN/m，說明IMDCHPS具有良好的表面活性。

圖3 IMDCHPS的γ-lg c曲線

2.2.2 耐無機(jī)鹽性能和潤濕性

由圖4可知，在NaCl濃度分別為0、0.4、0.8 mol/L時(shí)，IMDCHPS的cmc略微降低，γ略微升高。總體來說，NaCl濃度對(duì)月桂基咪唑啉的表面活性影響不大，IMDCHPS具有一定的耐鹽性，具體數(shù)值見表1。

圖4 IMDCHPS在不同濃度NaCl溶液中的γ-lg c曲線

從表1還可知，隨著NaCl濃度的增大，IMDCHPS的潤濕時(shí)間縮短，潤濕性能逐漸提高。

表1 IMDCHPS在不同濃度NaCl溶液中的表面活性和潤濕性

2.2.3 泡沫性能

由表2可知，IMDCHPS的起泡及穩(wěn)泡效果較好，在純水中泡沫更為豐富。

表2 IMDCHPS在不同濃度CaCl2溶液中的泡沫體積

2.2.4 乳化性能

IMDCHPS的乳化時(shí)間為18 min，表明其對(duì)大豆油的乳化力較好。

2.3 性能對(duì)比

由表3可知，與十一烷基咪唑啉羧酸鹽（IMDC）相比，IMDCHPS的表面活性更高；發(fā)泡能力略差，穩(wěn)泡性能相當(dāng)；潤濕性略差。

表3 IMDCHPS與IMDC的性能對(duì)比

3 結(jié)論

（1）以月桂酸和AEEA為原料，H3PO4為催化劑合成IMD，轉(zhuǎn)化率為98.6%；IMD再與CHPS-Na反應(yīng)制備了IMDCHPS，轉(zhuǎn)化率為98.5%。

（2）IMDCHPS有高效的表面活性（γcmc=26.6 mN/m，cmc=9.0×10-4mol/L），良好的發(fā)泡及穩(wěn)泡性能，較好的耐鹽性能，對(duì)大豆油的乳化力較好。