特殊类型表面的表面活性剂

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这类合成方法的特点是利用不同的调聚剂(全 氯烷基碘、低级醇等)与四氟乙烯反应,得到不同 分布的低相对分子质量的调聚物。产物是不同链长 的混合物,按需要可以分离。
按调聚剂的不同,可分别制成全氟碘化物和ω– 氢原子的含氟烷基化合物。
1)全氟碘代烷的调聚反应 由四氟乙烯和全氟低级烷基碘调聚反应一般有三
氟碘甲烷和五氟碘乙烷。 由于全氟烷基的电性,全氟烷基碘很难由取代反
润湿性好坏与环氧乙烷的加成数有关,过大或过 小,都不利于润湿。
3)具有消泡性和稳泡性 含硅表面活性剂尤其是聚硅醚表面活性
剂,在不同的温度范围内,同一品种既可以 作消泡剂,又可用作稳泡剂,在浊点以上有 消泡作用,在浊点以下起稳泡作用。
聚氨基甲酸酯泡沫塑料的发泡剂、稳泡剂 就是采用各种型号的聚硅氧烷环氧乙烷加成 物。到目前为止,世界公认其是一种优质稳 泡剂。
氯电解氟化的收率为10-15%,磺酰氯电解氟化的
收率为25%。
电解池是由耐氟化氢腐蚀的金属(如铜、 镍等)制成,阳极用镍,阴极用铁。
电解池应有回流装置,回流温度保持10℃以下的低温,并用固体氟化钠吸收溢 出的氟化氢气体。
电解氟化的合成生产的最大优点是只有 一步反应,但氟化产率低,且成本高。
2、氟烯烃调聚法 氟烯烃调聚法是利用全氟烷基碘等物质
2、非离子表面活性剂的合成 在疏水性的聚二甲基硅氧烷分子中嵌
段或接枝亲水性的聚醚基团,这类非离子表 面活性剂根据有机部分与有机硅部分连接方 式,可分为Si—O—C键连接和Si—C键连接两 类。
含Si—O—C键聚二甲基硅氧烷—聚醚共聚 物的制备方法有: ①含烷氧基的聚(二甲基)硅氧烷与聚醚反应
溶解度底的特点。
全氟表面活性剂不但能降低水的表面张力 而且也能降低液态碳氢化合物的表面张力
同时具有既疏水又疏油的性质
氟碳链间的作用力弱,憎水性强,排斥 水的作用更强。因此,更容易在溶液表面 吸附和在水中形成胶团,所以它不仅有很 低的表面张力,而且有很低的临界胶束浓 度。
碳氟表面活性剂在水中的溶解度在0.10.01%(质量分数),即可把水的表面张力 由72mN/m降至20mN/m,甚至更低。
在疏水基的两端加成环氧乙烷与仅一端加 成环氧乙烷,加成物的表面张力没有大的差 别。
不同结构的疏水基对表面张力的影响有以下几点: 1)硅原子取代碳原子的位置,对表面张力有一定影响。
硅原子取代碳原子的位置越远离亲水基,表面张力 就越小。末端基形成三甲基硅烷或三甲基硅氧烷对表 面张力有明显影响。 2)对于聚硅氧烷疏水基,硅取代数在2-5之间,其环 氧乙烷的加成物具有最佳表面张力;环氧乙烷数大于 6,表面张力反而不好。 3)疏水基有无侧链及环氧乙烷加成链的长短,对表面 张力无明显影响,但影响临界胶束、分散性和润湿性 能。
含硅表面活性剂是除含氟表面活性剂以外,目前发 现的表面活性剂中最优良的品种。 2)具有优良的润湿性能
含硅表面活性剂甚至对于像苯乙烯那种具有低表面 张力的固体表面,也能充分地润湿,接触角接近零。
含有2-5个硅原子的聚甲基硅氧烷环氧乙烷加成 物,表面张力可达20-21mN/m。对苯乙烯塑料表面有良 好的润湿性。
8.1.1 碳氟表面活性剂的性质
1 化学稳定性和热稳定性能好 耐高温 耐强酸、强碱 甚至强氧化剂也不能将其破坏
氟原子取代氢原子后,因氟原子体 积比氢原子大,使C-C键因氟原子的屏蔽 作用而得到保护,使C-C键比原来更加稳 定。
如全氟磺酸盐的盐分解温度高达420 ℃,在浓硫酸、浓硝酸中也不会被破坏 (氧化)。
作为端基物调节聚四氟乙烯等含氟单体制 得低聚合度的含氟烷基调节物。
该方法最早是由英国剑R.N.Haszeldine 等人研究的,
该方法最早是由英国剑桥大学R.N.Haszeldine 等人研究的,他在1951年发现三氟碘甲烷可与乙烯 和四氟乙烯发生调节聚合反应。
随后,美国杜邦公司研制开发了以五氟碘乙烷 为端基物,与四氟乙烯在加热加压条件下进行调节 聚合反应的工业生产路线。
例如: 将四氟乙烯的四聚体与稀NaOH水溶液进行反
应,对反应产物进行酸化得到酮,再用碱可将酮 转化为烯醇,随后烯醇与POCl3反应,反应产物 水解得到磷酸酯型碳氟表面活性剂。
此类氟碳链中,分支甚多的含氟表面活性剂 的表面活性稍差,其水溶液的表面张力很少小于 20mN/m,但其优点是制备较易,表面吸附平衡较 快。
总结: 含氟表面活性剂具有“三高”和“二
憎”的特点,具有特殊的功能。
8.1.2 碳氟表面活性剂的分类
离子型
阳离子型 阴离子型 两性型
非离子型
8.1.3 碳氟表面活性剂的应用
高效稳定
复配 与 选择
1 高效灭火剂
轻水泡沫灭火剂 在油面上迅速铺展成膜 缩短灭火时间 提高灭火性能 抗复燃型好
2 电镀 抑铬酸雾剂
上述两类反应,一般先由硅氧化合物和不饱和的 有机卤化物或不饱和的有机胺(最常用的是烯丙基氯 和烯丙基胺)在催化剂(如H2PtCl6·6H2O)作用下加 成,再分别与胺类或卤代物反应。
用季铵化反应合成含硅阳离子的低聚物或高聚 物,一般先将有机硅聚合物与含氮有机物进行聚合反 应,再与卤代烷烷基化。或者将含氮的聚合物和含氯 的聚合物分别与含氯有机硅和含胺有机硅反应。如果 将含硅季铵盐与高聚物直接偶联或交联起来,也有类 似效果。
50年代初,美国Union Carbide (联碳)公 司首先合成了含硅聚醚非离子表面活性剂。德 国Bayer A-G Mobey化学公司将它用作聚氨酯 泡沫体中的稳泡剂。此后阴、阳含硅表面活性 剂相继问世,它的应用领域也不断扩大。
一、含硅表面活性剂结构与性能的关系 1、结构与性能的关系
含硅非离子表面活性剂在水溶液中,表面 张力下降只受疏水基的影响,而与环氧乙烷 的加成数的大小关系不大。
安全生产
3 织物整理剂 4 高聚物添加剂 5 感光材料
8.1.4 碳氟表面活性剂的合成
8.1.4 碳氟表面活性剂的主要合成方法
合成一般包括三步: ①合成含6-10个碳原子的碳氟化合物 ②制成易于引进各种亲水基团的含氟中 间体。 ③引进各种亲水基团制成各种碳氟表面 活性剂。 含氟烷基的合成是制备碳氟表面活性剂
的关键。
合成碳氟化合物的主要方法有三种: 电解氟化法 氟烯烃调聚法 氟烯烃低聚法。
1、电解氟化法 20世纪40年代由美国的J.H.Simons研制成功。 方法:把磺酸或羧酸的酰氯化物溶于无水氢氟酸
液体中,在Simons电解槽中用镍板阳极进行电解氟 化,电极间电压一般在4-6V。
在有机物氟化过程中,只有有机物的氢原子被氟 原子取代,其他一些官能团仍被保留。电解控制在 无氟气体排出的条件下,碳氢化合物在阳级氟化成 全氟化有机化合物。
Si-O 键要比 C-C 键稳定,不易断裂。
因而含硅表面活性剂具有较高的耐热稳定性
离子型
阳离子型 阴离子型 两性型
非离子型
二、合成 含硅表面活性剂按亲水基的不同可分为阴
离子型、阳离子型、非离子型和两性型四种 主要类型。 合成分为两步:
①含硅疏水基中间体的合成(由专业有机 硅生产厂家完成)
②亲水基的引入
碳氟表面活性剂在6个碳原子的时候就有很好的 表面活性。8~12个碳原子最佳。
4 CMC
高表面活性表面在一方面能使水的表面 张力降低至很低,另一方面表现在用量很少。
碳氟表面活性剂在溶液中的质量分数为 0.005-0.1%时,就可使水的表面张力下降至 20mN/m以下,而一般碳氢表面活性剂在溶液 中的质量分数为0.1-1.0%时才可使水的表面 张力下降到30-35mN/m。
憎油性 全氟表面活性剂不仅憎水,而且憎油,
所以它在有机溶剂中也显示出相当好的表 面活性。
例如,N-取代的全氟辛酰胺类能使烃类 降低表面张力5-15mN/m。
3 表面活性 碳氟表面活性剂有极高的表面活性,其水溶液的
表面张力可低至20nN/m以下(有的甚至可低到12nN/m), 这是其它类型表面活性剂所远不及的。
第八章 特殊类型的 表面活性剂
8.1 碳氟表面活性剂 8.2 含硅表面活性剂 8.3 高分子表面活性剂 8.4 冠醚型表面活性剂 8.5 生物表面活性剂
8.1 碳氟表面活性剂
含氟表面活性剂是指碳氢链中氢原子被氟取代了的表 面活性剂。
氢原子可以部分被氟原子取代,也可全部被氟原子取 代,后者称为全氟表面活性剂。
1、阳离子表面活性剂的合成 季铵化反应是合成含硅阳离子表面活性剂最常用
的一种方法。 按卤原子所连基团的不同又可分为两类。
①与有机硅基团上的卤原子反应,反应通式为:
②卤代烷与含有有机硅的胺类化合物反应,反应通 式为:
式中,R1、R2、R3:烷基、烷氧基、芳基、芳烷基、 有机硅基等。
R4、R5:氢或小分子烷基。 R6、R7、R8:烷基、芳基、芳烷基、羧烷基、 聚环氧烯烃基等,R6、R7、R8总碳数一般≥12。 X:卤素原子 n:0~5。
应导入亲水基团。引入有反应能力的基团,成为制取 碳氟表面活性剂的中间体。
在M.Hatem专利中报道了用臭氧直接氧化全 氟碘代烷来合成全氟羧酸的方法。
将20g全氟碘代辛烷C8F17I溶于150mL丙酸 中,在室温下搅拌,通入臭氧与氧气的混合气 体(体积比为6:94),常压下反应2天,析出 全氟羧酸后过滤,干燥可得5g白色固体产物全 氟辛酸C8F15COOH,产率为30%。
羧酸酰氯电解氟化后得到全氟羧酸酰氟,磺
酸酰氯电解氟化后得到全氟磺酰氟。
C7H15COCl+HF→C7H15COF → C7H15COOH(全氟羧 酸)
C8H17SO2Cl+HF→C8H17SO2F → C8H17SO3H(全氟 磺酸)
电解过程中,由于C-F键盘的结合能较大,因
而出现C-C键断裂等大量的副反应,一般羧酸酰
4)疏水基聚硅氧系和疏水基聚硅烷系的表面 活性剂,在乳化硅油时,降低系统的表面张 力区别不大。
在低浓度下,还是聚亚甲基硅烷系表面活 性剂更好些;但在较高的浓度下,硅原子取 代数又较多时,聚硅氧烷系表面活性剂就优 于聚硅烷系表面活性剂。
因此,常用的硅油乳化剂一般选用聚硅氧 烷的环氧乙烷加成物。
2、特性 1)具有优良的降低表面张力的性能。
低聚反应得到高支叉低聚合度的全氟烯烃低 聚物。
最常的有四氟乙烯低聚法、六氟丙烯低 聚法和六氟环氧丙烯烷低聚法三种。
1)四氟乙烯的低聚 四氟乙烯在氟离子催化下,可发生阴离
子聚合反应。 催化剂常用氟化铯或氟化钾,在非质子
溶剂中进行。 所得低聚物是四、五、六、七低聚体的
混合物,其中五聚体约占65%,这些低聚物 都是多支链的内烯烃。
2)四氟乙烯与低级醇的调聚反应 由低级醇与四氟乙烯的调聚合成产物是一
类疏水疏油碳氟链末端有一个氢原子,即ω氢-碳氟化合物。
低级醇一般为甲醇、乙醇、异丙醇等。 含ω-氢的碳氟表面活性剂的表面张力一 般在35-40mN/m之间,其他类型的表面活性剂 的表面张力可达15mN/m 。
3、氟烯烃低聚法 20世纪70年代发展起来的。 它是利用氟烯烃的非质子性溶剂中发生
这类表面活性剂性能特殊,具有憎水、憎油的双重 特性,降低表面张力的能力极为显著,其应用越来越引 人注目。
20世纪60年代研制开发的一类特种表面 活性剂
传统类型表面活性剂的疏水基是由碳氢 链组成的,而碳氟表面活性剂中的疏水 基主要是由碳、氟两种元素组成。氟原 子部分或全部代替碳氢链中的氢原子形 成碳氟化学键。
碳氟链中碳氟键(C-F)具有较高的键 能(485.67kJ/mol),大于C-H键能 (416.31kJ/mol),C-F键比C-H键稳定, 不易断裂。
例如,C8F17OC6H4SO3K百度文库分解温度在 335℃以下,使用温度可在300 ℃左右, 这是一般表面活性剂所达不到的。
2 溶解性 氟表面活性剂具有高熔点、高Krafft点和在溶剂中
2)六氟丙烯的氧化和聚合 六氟丙烯的低聚也属阴离子聚合反应过
程,并生成带直链的内烯,以二聚体和三聚 体为主的产物。
六氟丙烯低聚物分子中与双链碳原子直接 相连的氟原子较活泼,在极性溶剂中很容易 与亲核试剂发生取代反应,引入中间连接体 并进而引入亲水基制成碳氟表面活性剂。
8.2 含硅表面活性剂
含硅表面活性剂具有很高的表面活性与稳 定性,耐高温,对皮肤无刺激,无毒,十分 安全。有些品种还是很好的抑泡剂。
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