含羧基两性型表面活性剂的合成及表面聚集性能研究

作     者：陈雅雯 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施来顺

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：两性型表面活性剂 合成 临界胶束浓度 预胶团 聚集行为 

摘      要：两性型表面活性剂包括不同结构的阴、阳离子亲水基团、碳原子数不同的疏水链和多样化的阴阳离子亲水基团联接链,这使得它们表现出更加丰富的自组织性能。两性型分子由于自身结构特点,而被广泛应用于各行各业中。本文以两性型表面活性剂为实验内容,自行设计合成了疏水链碳原子数m分别为12、14、16、18的磷酸酯钠两性型表面活性剂（D1、D2、D3、D4）和磺酸钠两性型表面活性剂（Q1、Q2、Q3、Q4）。主要研究内容如下:（1）以脂肪胺（CmH2m+1NH2,其中m=12,14,16,18）和丙烯酸（CH2=CHCOOH）进行第一步反应,合成产物A1～A4,以环氧氯丙烷（ECH）和磷酸二氢钠（NaH2PO4）进行第二步反应,合成中间体,最后向A1～A4中添加中间体制备产物D1～D4。并用FTIR、1H NMR、HRMS（ESI）对产物D1～D4的结构进行了表征。同时,以产物D4的合成为例,采用单因素实验法,通过铁氰化钾法测定了产物的产率,确定了较佳的反应条件:T为70℃,t为5h,n（环氧氯丙烷）:n（十八按）为1.20。在此条件下,产物 D1～D4 产率分别为 78.75%、91.81%、81.59%、93.92%。采用吊环法测定了产物D1～D4在水溶液中的表面性能,在298.15K下,D1～D4的 CMC 分别为:5.34×10-4 mol/L、4.95×10-5 mol/L、1.43×10-5 mol/L、3.30×10-6 mol/L。γCMC 分别为:30.10 mN/m、29.08 mN/m、42.90 mN/m、45.56 mN/m。表面活性剂产物D2削弱γ的能力最强,ΓCMC最大,ACMC最小。通过κ-c曲线研究了产物D1～D4在温度为303.15K～343.15K范围内的CMC、β,并对产物D1～D4的热力学函数ΔGm0、ΔHm0、ΔSm0进行了计算,结果表明:CMC和β随温度的提升变化趋势相反,产物D1～D4聚集过程为自发进行放热过程,并且为熵主导的过程。芘荧光光谱实验表明,产物D2的平衡I1/I3值最小,聚集体内部微环境最小,形成聚集体的结构最紧密。通过铂金吊环法、电导率法、芘稳态荧光光谱法所得产物D1的CMC比较接近,而产物D2～D4的CMC差值较大。Λ-c1/2和dκdc-c1/2曲线揭示了具有较长疏水碳链长度的D2～D4溶液中存在预胶团现象,且较长疏水碳链的产物发生预胶束化是致使CMC出现偏差的原因。由Ea-c曲线图可知,产物D1的CMC位于最低点处,产物D2～D4溶液中预胶束团的存在,CMC出现在最低点的右侧附近。动态光散射技术发现,产物D1～D4聚集体的粒径随着浓度的增加（2CMC-10CMC-50CMC）表现出较好的规律性。通过分水实验和泡沫实验分别探讨了疏水链碳原子数对产物乳化性能和泡沫性能的影响。通过对产物D4进行乳化和拌和实验,结果表明产物D4属于快裂型。（2）以脂肪胺（CmH2m+1NH2,其中 m=12,14,16,18）、丙烯酸（CH2=CHCOOH）、有机磺酸钠为原料、异丙醇为溶剂,通过加成、季胺化反应合成了产物Q1～Q4。并用FTIR、1H NMR、HRMS（ESI）对产物Q1～Q4的结构进行了表征。利用铁氰化钾法确定了产物Q1～Q4在T=70℃,t=5h,摩尔比n=1.20条件下的产率,经测定,产率分别为:68.68%、46.32%、79.19%、73.98%。采用吊环法测定了产物Q1～Q4在水溶液中的表面性能,在298.15K下,产物Q1-Q4的CMC分别为:7.94×10-4mol/L、9.12×10-5mol/L、1.45×10-5 mol/L、8.96×10-6mol/L。γCMC分别为:28.16 mN/m、26.16mN/m、32.82 mN/m、38.45 mN/m。产物Q2降低γ的能力最强;疏水链碳原子数增多,产物Q1-Q4的ΓCMC增加,ACMC减小,pC20增加。通过κ-c曲线研究了产物Q1～Q4在温度为303.15K～343.15K范围内的CMC、β,并对产物Q1～Q4的热力学函数ΔGm0、ΔHm0、ΔSm0进行了计算,结果表明:CMC和β随温度的提升变化趋势相反,产物Q1～Q4聚集过程为自发进行放热过程,并且为熵主导的过程。芘荧光光谱实验表明,产物Q2的平衡I1/I3值最小,聚集体内部微环境最小,形成聚集体的结构最紧密。通过铂金吊环法、电导率法、芘稳态荧光光谱法所得产物Q1的CMC比较接近,而产物Q2～Q4的CMC差值较大。Λ-c1/2和dκ/dc-c1/2曲线揭示了具有较长疏水碳链长度的Q2～Q4溶液中存在预胶团现象,且较长疏水碳链的产物发生预胶束化是致使CMC出现偏差的原因。由Ea-c曲线图可知,产物Q1的CMC位于最低点处,产物Q2～Q4溶液中预胶束团的存在,CMC出现在最低点的右侧附近。动态光散射技术发现,产物Q1～Q4在浓度为2CMC、10CMC、50CMC时主要以囊泡的形式存在。通过分水实验和泡沫实验分别探讨了疏水链碳原子数对产物乳化性能和泡沫性能的影响。