脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑合成工藝和性能研究

雷小英 史立文 鐘 凱 李伏益 葛 贊 劉煒康 洪 鄭 李幫國

（贊宇科技集團股份有限公司，浙江杭州，310009）

兩性表面活性劑具有刺激性低、耐硬水性好、適用范圍廣和優(yōu)良的生物降解性等優(yōu)點，其應用研究仍在日益擴大。脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿是一種溫和高效型的兩性表面活性劑，與傳統兩性表面活性劑相比，其分子中引入了酰胺基團及更長的碳鏈，具有良好的泡沫穩(wěn)定性、生物降解性、低毒性等，且因其性能優(yōu)異、安全性高、毒性低，對眼睛、皮膚的刺激性低，在日化行業(yè)被廣泛應用于中高檔洗發(fā)香波、浴液、洗手液等洗滌化妝制品，是一種具有廣闊應用前景的表面活性劑[1-4]。今年來，隨著化工產品原料價格的高漲，消費者和下游企業(yè)想尋求高性價比的甜菜堿表面活性劑。由于月桂基脂肪酰胺二甲基叔胺比豆蔻基的價格每噸低10 000多元，因此本文以月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺二甲基叔胺(簡稱PKO)、氯乙酸、液堿等為原料，利用正交試驗考察了季胺化反應的條件，優(yōu)化了工藝條件，并研究對比了兩種酰胺丙基甜菜堿的發(fā)泡性能、穩(wěn)泡性能以及乳化性能[5-8]，為企業(yè)及行業(yè)的后續(xù)開發(fā)應用提供了基礎數據和參考。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

氫氧化鈉，分析純，杭州化學試劑有限公司；乙醇，分析純，杭州雙林化工試劑廠；丙酮、乙醚，均為分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；氮氣，純度99.9%，杭州成豐氣體有限公司；月桂基酰胺二甲基叔胺、豆蔻基酰胺二甲基叔胺、氯乙酸，32%液堿均為工業(yè)品。

DW-2-220W電動電子恒速攪拌器，鞏義市予華儀器有限公司；861離子色譜儀，瑞士萬通離子色譜儀有限公司；K100表面張力儀（德國KRUSS公司）；21GKC恒溫水浴槽（上海蘇達實驗儀器有限公司）；R-2000動態(tài)泡沫測試儀（德國SITA公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑的合成

依次將適量水、氯乙酸和32%液堿投入三口燒瓶中，通入氮氣保護，開啟電動攪拌器攪拌30 min后，接著再加入適量脂肪酰胺二甲基叔胺（簡稱PKO）升溫到指定溫度，反應一定時間得到脂肪酰胺丙基甜菜堿表面活性劑產品。其反應方式如下[7]：

其中，R為C11或C13

1.2.2 泡沫的起泡性實驗

自動泡沫儀的測定泡沫條件為溫度(25±1) ℃，水硬度為250 mg/kg，質量分數為0.02%的活性物。自動泡沫儀其他參數為溶液進樣量250 ml；攪拌次數40次；攪拌時間10 s/次；轉速1 000 r/min。

1.2.3 泡沫的穩(wěn)定性實驗

按照1.2.2的方法，對兩種甜菜堿的穩(wěn)泡性能進行測試。動態(tài)泡沫儀參數：溫度25 ℃；溶液進樣量250 ml；攪拌次數40次；攪拌時間10 s/次；轉速1000 r/min；穩(wěn)泡時間12 min。

1.2.4 乳化性能

采用分水時間法測定產物對液體石蠟的乳化能力，具體實驗過程為：分別配制質量分數為1%的表面活性劑水溶液，取40 ml到具塞量筒中，再加入40 ml液體石蠟，40 ℃下恒溫5 min。上下劇烈搖晃量筒5次，在40 ℃下恒溫1 min，然后再連續(xù)重復5次，最后記錄水相分出10 ml的時間，重復實驗3次，取平均值，作為判定乳化能力強弱的依據，即時間越長，乳化能力越強。

2 結果與討論

2.1 正交試驗方法研究

通過前期實驗發(fā)現，影響脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿反應的主要因素為投料摩爾比、反應pH和反應溫度3個因素，因此采用正交試驗方法，設計了3因素3水平正交實驗，因素水平表和實驗結果分別見表1～表3。

表1 正交試驗的因素和水平

表2 正交實驗

表3 正交實驗的結果分析

由表3看出，影響脂肪酰胺丙基二甲基甜菜堿反應的主次順序為A>B>C，最佳組合為A3B2C2，即nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反應pH=8.5~9.5，反應溫度為80~85℃。

2.2 驗證實驗

由于在正交實驗安排中并未出現A3B2C2，因此根據優(yōu)化后的最佳季胺化工藝條件，在實驗室做驗證性，合成月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿產品指標見表4，說明得到的成品指標都較好，而且月桂基脂肪酰胺丙基甜菜堿產品收率優(yōu)于豆蔻基產品。

表4 產品指標

2.3 泡沫性能

分別將月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿通過動態(tài)泡沫儀測定泡沫性能，其發(fā)泡性能如圖1所示，其穩(wěn)泡性能如圖2所示，結果表明，兩種表面活性劑發(fā)泡性良好，在15 min內泡沫高度略有些下降，說明泡沫穩(wěn)定性基本不錯；在發(fā)泡性能方面豆蔻基酰胺丙基甜菜堿優(yōu)于月桂基酰胺丙基甜菜堿，主要是豆蔻基具有較長的疏水基可以提高分子間的內聚力，從而使得液膜強度增加，發(fā)泡力增強[9]。

圖1 發(fā)泡性能

圖2 穩(wěn)泡性能

2.4 乳化性能

分別將月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺丙基甜菜堿配制成質量分數為1%的溶液，采用分水時間法對液體石蠟進行乳化測試，得到兩種甜菜堿產品的乳化性能見表5。從分水時間來看，兩種甜菜堿產品對液體石蠟的乳化能力良好，隨著豆蔻基疏水鏈的增長，產品對液體石蠟的乳化能力有減弱趨勢。

表5 產品的乳化性能

3 結論

（1）采用月桂基和豆蔻基兩種脂肪酰胺二甲基叔胺、氯乙酸、液堿等為原料，一步法制備月桂基和豆蔻基酰胺丙基甜菜堿表面活性劑；通過正交試驗確定了最優(yōu)化的反應條件，得出季胺化較優(yōu)工藝條件為：nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反應溫度為80~85 ℃，反應pH為8.5~9.5。

（2）通過動態(tài)泡沫儀分析顯示，在發(fā)泡性能上豆蔻基酰胺丙基甜菜堿略優(yōu)于月桂基酰胺丙基甜菜堿，且兩者的穩(wěn)泡性能基本不錯。

（3）采用分水時間法對液體石蠟進行乳化測試，兩種酰胺丙基甜菜堿都具有較好的乳化性能。