不同反離子脂肪醇硫酸鹽性能研究

肖 娜 曹圣悌 高春新 霍月青

1.東明俱進(jìn)化工有限公司，山東菏澤，274500；

2.中國日用化學(xué)研究院有限公司，山西太原，030001

1 引言

脂肪醇硫酸鹽（AS）是以脂肪醇為原料，經(jīng)過SO3硫酸化反應(yīng)得到的一類陰離子表面活性劑，具有良好的發(fā)泡、去污、潤濕等作用，生物降解性好，在民用洗滌、油田開采、乳液聚合等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年脂肪醇硫酸鹽產(chǎn)量為7.67萬噸，屬于第三大類陰離子表面活性劑。

目前市場上該類產(chǎn)品主要是反離子為鈉鹽的脂肪醇硫酸鈉，即以氫氧化鈉中和得到，而不同的中和劑得到的產(chǎn)品報道較少[4-6]。本研究對不同中和劑中和得到的天然C12-14脂肪醇硫酸鹽進(jìn)行了表面張力、動態(tài)表面張力、泡沫、潤濕、乳化性能研究，以期為實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足差異化的市場需求。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

原料：C12-14脂肪醇硫酸鋰（AS-Li）、C12-14脂肪醇硫酸鈉（AS-Na）、C12-14脂肪醇硫酸鉀（ASK），工業(yè)級，東明俱進(jìn)化工有限公司；液體石蠟，分析純，國藥集團(tuán)。

儀器：K12表面張力儀、BP100型動態(tài)表面張力儀，德國KRUSS公司；羅氏泡沫儀，中國日用化學(xué)研究院有限公司。

2.2 性能測試

2.2.1 平衡表面張力的測定

去離子水配制AS水溶液，室溫靜置24 h，然后用表面張力儀測定，溫度（25.0±0.1）℃。

2.2.2 動態(tài)表面張力的測定

去離子水配1 g/L的AS水溶液，靜置24 h以上，然后用動態(tài)表面張力儀測定，溫度（25.0±0.1）℃。

2.2.3 泡沫的測定

去離子水配制1 g/L 的A S 水溶液，采用羅氏泡沫儀測定AS泡沫體積隨時間的變化，溫度（25±1）℃，重復(fù)測試3次，取平均值。

2.2.4 潤濕性的測定

去離子水配1 g/L的AS水溶液，參照國標(biāo)GB/T11983—2008《表面活性劑 潤濕力的測定 浸沒法》進(jìn)行測試，溫度（25±1）℃，重復(fù)測試10次，取平均值。

2.2.5 乳化力的測定

在100 mL具塞量筒中加入等體積（40 mL）AS水溶液和液體石蠟，AS濃度為1 g/L，垂直振蕩50次，然后靜置，記錄分出10 mL液體所需時間。溫度（25±1）℃，重復(fù)測定3次，取平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 平衡表面張力

表面活性劑的典型特征就是在水中加入少量就可以迅速降低表面張力，濃度增加到一定程度時，表面張力基本不再變化，對應(yīng)的濃度和表面張力為臨界膠束濃度（cmc）和γcmc[7]。AS的表面張力曲線如圖1所示，從圖中得到的cmc和γcmc列于表1，從中可以看出，不同反離子的cmc無顯著差異，γcmc按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na順序降低。

圖1 脂肪醇硫酸鹽AS表面張力曲線圖

表1 脂肪醇硫酸鹽AS表面活性

根據(jù)Gibbs吸附公式，當(dāng)表面活性劑分子在氣/液界面吸附達(dá)到平衡時，飽和吸附量（Гmax）可由以下公式計算得到：

其中，R為氣體常數(shù)，R＝8.314 J/（mol·K）；T為絕對溫度；γ為表面張力，mN/m；C為摩爾濃度，mol/L，dγ/dlogc為cmc之前γ-logc曲線的斜率。無外加鹽時，對于1-1型陰離子表面活性劑脂肪醇硫酸鹽，n＝2。從表中可以看出，不同反離子的AS飽和吸附量Гmax無顯著差異。

降低水溶液表面張力的效率是表面活性劑降低表面張力的特性之一，通常以將水溶液的表面張力降低到一定程度所需的濃度，pC20來表示，pC20＝-log C20其中C20是表面張力降低20 mN/m所需的表面活性劑濃度（mol/L）。pC20越大，表面活性劑在氣/液界面吸附效率越高，降低表面張力的效率也越高。

從表1中可以看出，pC20按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na順序降低。

3.2 動態(tài)表面張力

圖1給出的平衡表面張力，即溶液達(dá)到平衡時的性質(zhì)，沒有考慮表面張力達(dá)到平衡所需的時間。當(dāng)表面活性劑水溶液形成一個新鮮界面時，表面張力接近于水的表面張力，一段時間后表面張力降至平衡值，未達(dá)到平衡時的表面張力稱之為動態(tài)表面張力，達(dá)到平衡的時間長短取決于表面活性劑的結(jié)構(gòu)、濃度及外界環(huán)境。AS的動態(tài)表面張力隨時間的變化如圖2所示，可以看出：在表面張力初始降低階段（時間趨于0 s），AS-Li和AS-Na的表面張力要低于AS-K，即降低表面張力速度快。

圖2 表面張力隨時間的變化

3.3 泡沫性能

泡沫是一種氣體分散于液體中的分散體系，氣體以氣泡的形式被液體分隔開來，在礦石浮選、驅(qū)油、鉆井、滅火等領(lǐng)域均具有特殊的用途。起泡能力和泡沫穩(wěn)定性是泡沫在實(shí)際應(yīng)用中的兩個重要性質(zhì)。起泡能力是指起泡難易程度，可以0.5 min時的泡沫體積表示；泡沫穩(wěn)定性是指泡沫的持久性，即泡沫的“壽命”，以5 min時的泡沫體積/0.5 min泡沫體積表示。AS的泡沫體積隨時間的變化如圖3所示，相應(yīng)的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性數(shù)據(jù)列于表2中，從表中可以看出：起泡能力按照AS-Na＞ASK＞AS-Li的順序降低；AS-Na與AS-K泡沫穩(wěn)定性無顯著差異，明顯高于AS-Li，說明不同反離子的泡沫能力不同，可以根據(jù)具體應(yīng)用場合來選擇不同的中和劑進(jìn)行中和。

圖3 泡沫隨時間的變化

表2 泡沫性能

3.4 潤濕性

潤濕作用是指固體表面上的一種流體被另外一種與之不相溶的流體所替代的過程，與人類日常生活和工業(yè)生產(chǎn)有著緊密的聯(lián)系。潤濕速度是評判表面活性劑溶液潤濕性能的一個重要指標(biāo)，通常可通過測量帆布片在已知濃度的表面活性劑溶液中沉降時間來判斷，沉降時間越短，潤濕力越好。表3給出了AS的潤濕性，可以看出，AS潤濕時間按照ASLi＜AS-Na＜AS-K的順序增加，同動態(tài)表面張力規(guī)律類似，均顯示出AS-K的潤濕力最差。

表3 潤濕性

3.5 乳化能力

乳液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，不同反離子AS對液體石蠟的乳化能力如表4所示，從表中可以看出，AS-Li的乳液分水時間最快，AS-Na和AS-K無顯著性差異，即后兩者的乳液穩(wěn)定性要高于前者。

表4 乳化能力

4 結(jié)論

本研究通過測定表面張力、動態(tài)表面張力、泡沫、潤濕、乳化性能，對不同反離子的天然C12-14脂肪醇硫酸鹽（分別以AS-Li、AS-Na、AS-K表示，Li、Na、K代表相應(yīng)的反離子）進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：不同反離子對臨界膠束濃度無顯著影響，臨界膠束濃度時的表面張力按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na順序降低；在初始降低階段（時間趨于0 s），AS-Li和AS-Na的表面張力降低速度要快于AS-K；泡沫體積按照AS-Na＞AS-K＞AS-Li的順序降低；AS潤濕時間為AS-Li＜AS-Na＜AS-K；AS-Na和AS-K的乳化能力優(yōu)于AS-Li。上述結(jié)論表明，由于研究的界面不同，所呈現(xiàn)出的規(guī)律也不同，需要針對具體應(yīng)用場合，選擇相應(yīng)的脂肪醇硫酸鹽。