非離子型含硅表面活性劑與各類碳氫表面活性劑的復配效應

薛林雨 葉賜能 徐雅心 方歆倩 高一峰 胡學一 方 云

（江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫，214000）

表面活性劑已被應用于生產和生活的方方面面，實際應用中常采用表面活性劑復配體系，以利用其復配效應或協同作用產生比各自單獨使用時更好的特性和功效，使其具有更高的應用價值[1,2]。近年來，含硅表面活性劑由于其獨特的性質越來越受關注，已被廣泛應用于洗滌用品等日用化學品中。它自身無毒性，用于織物洗滌時安全性更好；其柔軟性賦予織物洗滌后柔軟滑爽的手感并提高彈性；其整理性使衣物變得筆挺且耐皺；其抗靜電性還能使衣物具有吸濕透濕性，穿著美觀舒適，可達到風格化、高檔化及功能化的質量效果。含硅表面活性劑具有優良的穩定性、潤濕性以及降低表面張力的能力，在紡織、印染、油漆和皮革等生產領域也有廣泛的應用[3-5]。通常將含硅表面活性劑與其他表面活性劑，特別是碳氫表面活性劑復配使用，能夠展現出更優異的性能和更高的性價比[5]。含硅表面活性劑主要是非離子型有機硅聚醚共聚物，以聚硅氧烷鏈為疏水基，聚醚為親水基。相比陽離子和陰離子型含硅表面活性劑，非離子型含硅表面活性劑具有在水溶液中不電離、較小的親水親油平衡值（HLB）及較高的表面活性和潤濕性等優勢。在已經報道的一些非離子型含硅表面活性劑與陰離子、陽離子及非離子型碳氫表面活性劑分別混合的體系中，均表現出良好的協同增效作用[6,7]。

圖1 含硅表面活性劑與碳氫表面活性劑復配物對降低cmc的協同作用

圖2 含硅表面活性劑降低碳氫表面活性劑表面張力的作用

圖3 含硅表面活性劑降低碳氫表面活性劑接觸角的顯著作用

1 與非離子型碳氫表面活性劑復配

Pukale[8]等將聚醚類三硅氧烷表面活性劑（AG-pt）與月桂醇聚氧乙烯醚（LA-10）或壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）混合，測定了表面活性劑混合體系的臨界膠束濃度（cmc）、表面張力、接觸角等性質。圖1顯示碳氫表面活性劑單獨存在或與含硅表面活性劑以1∶1比例共混時的cmc，可以看出：含硅表面活性劑使非離子型碳氫表面活性劑的cmc降低，也能使陰離子型碳氫表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的cmc降低一個數量級，因此，無論碳氫表面活性劑的cmc比含硅表面活性劑高或低，兩者均產生了降低cmc的協同效應。圖2表明：當表面活性劑濃度達到cmc時，含硅表面活性劑與碳氫表面活性劑兩者間雖未產生降低表面張力的協同效應，但含硅表面活性劑可以將各種碳氫表面活性劑的表面張力均拉低到與自身相仿的水平。這是因為：與碳氫表面活性劑相比，含硅表面活性劑在表面上具有更緊密的分子排列，這種分子緊密程度控制了含硅表面活性劑共混物的表面張力值[9,10]。表面活性劑在不同基材上的潤濕性可以通過觀察接觸角來確定，接觸角小表明容易潤濕固體表面。圖3顯示了表面活性劑溶液在玻璃上和聚四氟乙烯表面上的接觸角，由于含硅表面活性劑本身具有很低的接觸角，因此觀察到盡管它與碳氫表面活性劑彼此間沒有產生降低接觸角的協同效應，但大幅提高碳氫表面活性劑對兩種測試表面的潤濕性。以上含硅表面活性劑對三種性能的改善作用充分說明其與碳氫表面活性劑復配充分發揮了自身低表面張力和小接觸角的拉低效應，以及在降低cmc方面的協同作用，使其用于洗滌劑中可能幫助除去紡織品上不同的復雜污漬。進一步的去污實驗結果表明：當碳氫表面活性劑與含硅表面活性劑的比例為75∶25時觀察到最大的去污力。

圖4 不同濃度PTS下表面張力與BAC-12濃度的關系

圖5 不同濃度PTS下初始泡沫高度與BAC-12濃度的關系

2 與陽離子型碳氫表面活性劑的復配

盛友杰[11]等研究了聚三硅氧烷表面活性劑（PTS）與陽離子表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨（BAC-12）復配體系的相關性質，通過最大泡壓法測定了上述混合體系的表面張力。圖4中將表面張力顯示為相應于不同PTS添加量時BAC-12濃度的函數，PTS濃度為0.1%時混合體系的表面張力與0.01%和0.001%時混合體系的表面張力與濃度的關系間表現出不同的趨勢。當PTS濃度為0.1%時，混合物的表面張力已經低于BAC-12水溶液的cmc（約0.066%）處相應的表面張力。此時氣液界面的PTS分子已經飽和，少量BAC-12加入到0.1%PTS溶液中時將被吸附到氣/液界面，并且在氣/液界面處發生PTS和BAC-12之間的競爭性吸附，這將導致氣/液界面處PTS分子數量的相對減少。隨著BAC-12濃度的增加，PTS分子逐漸被BAC-12分子取代，直到達到混合物的cmc。 由于碳氫表面活性劑降低水的表面張力的能力弱于含硅表面活性劑，所以混合物的表面張力將隨BAC-12濃度增加而增加。而PTS濃度為0.01%和0.001%時混合體系的表面張力隨BAC-12濃度增加而下降，這表明：由于聚硅氧烷的高柔性和取向性，PTS在表面吸附中起主導作用。

用Ross-Miles方法評估混合物的起泡能力和泡沫穩定性。圖5為PTS對BAC-12泡沫高度的影響，顯示出PTS對BAC-12泡沫高度的協同效應，隨著PTS濃度的增加，BAC-12溶液的發泡能力得到提高。影響發泡能力的因素很多，如表面張力，表面活性劑的結構類型以及所帶電荷等。 碳氫表面活性劑的發泡能力實質上由其親水基團及電荷決定，而溶液的低表面張力可以促進發泡，因為添加PTS后表面張力降低，所以BAC-12的發泡能力增強。 另一方面，含硅表面活性劑分子與碳氫表面活性劑分子混合膠束的cmc降低也可能有助于混合物的泡沫增加。圖6用5min時的泡沫高度和初始泡沫高度的比值（R5）來表示泡沫穩定性。可以看出：含硅表面活性劑的加入少許，提高了碳氫表面活性劑的泡沫穩定性，且0.01% PTS的混合物的泡沫穩定性最好。

圖6 不同濃度PTS下泡沫穩定性R5與BAC-12濃度的關系

圖7 不同濃度PTS下表面張力與SDBS濃度的關系

圖8 不同濃度PTS下初始泡沫高度與SDBS濃度的關系

圖9 不同濃度PTS下泡沫穩定性R5與SDBS濃度的關系

3 與陰離子型碳氫表面活性劑的復配

從圖1-3中還可以看出，含硅表面活性劑與陰離子型碳氫表面活性劑復配的研究主要集中在十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）。PTS/SDBS混合溶液的表面張力結果如圖7所示，可以看出：PTS對SDBS表面張力的影響與其對BAC-12的影響呈現出相同的趨勢。說明非離子含硅表面活性劑可以有效降低碳氫表面活性劑的表面張力，且在混合體系的表面吸附中起主導作用。

圖8顯示了PTS對SDBS泡沫高度的協同效應。圖9是PTS對SDBS泡沫穩定性的影響。SDBS溶液的泡沫穩定性隨SDBS濃度的增大而增大；加入PTS后，復配體系的泡沫穩定性增強。可以看出：無論碳氫表面活性劑的離子類型如何，在含硅表面活性劑和碳氫表面活性劑的混合物中，都能觀察到明顯的泡沫協同效應，表現為發泡能力增強和泡沫穩定性提高，且都隨著含硅表面活性劑濃度的增加而提高。作為泡沫工業中廣泛使用的碳氫表面活性劑，當其單獨水溶液產生的泡沫不能滿足某些工業領域的要求時，采用與含硅表面活性劑的復配體系所表現出的優良泡沫性能，則為其提供了應用前景。

4 結語

含硅表面活性劑通常與碳氫表面活性劑復配使用，非離子含硅表面活性劑與非離子、陽離子或陰離子型碳氫表面活性劑復配時均會產生良好的協同增效作用或產生復配效應。含硅表面活性劑的加入會使碳氫表面活性劑水溶液的表面張力顯著降低，復配體系水溶液的起泡性和泡沫穩定性得到提高，因而在需要泡沫的工業領域有良好的應用。同時，含硅表面活性劑在降低碳氫表面活性劑的接觸角方面表現出良好的性能，能更好地潤濕物體從而有助于增強去污力，因而，在日用化工行業有廣闊的應用前景。