脂肪醇醚季铵盐的合成、性能及应用研究

作     者：范莹 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈洁;肖富荣

授予年度：2023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：阳离子表面活性剂 脂肪醇醚季铵盐 表面化学性能 缓蚀性能 

摘      要：表面活性剂因具有特殊的界面现象和自组装行为而表现出优异的表面活性和应用性能。目前,表面活性剂已广泛应用于日用化工、石油、金属防腐、纺织印染以及生物医药等领域。由于阳离子表面活性剂携带阳离子电荷,因此呈现出杀菌性、吸附性和抗静电性等特殊性能。脂肪醇醚季铵盐作为一种非离子性的阳离子表面活性剂,因羟基和醚基对分子结构的修饰表现出优越的亲水性和吸附性,从而具有广阔的应用前景。现有的脂肪醇醚季铵盐虽然具有良好的亲水性,但其分子结构复杂,合成时需要繁琐的工序及严苛的反应条件,并且在实际应用中用量较多,不利于环保。因此简化脂肪醇醚季铵盐的分子结构,有利于缩短合成步骤,从而益于工业化生产。另外应用性能的提高能够减少用量,降低成本。基于上述议题,本文通过分子结构调控合成了一种结构简单且具有高亲水性和高吸附性的新型脂肪醇醚季铵盐,对其表面化学性能及应用性能进行研究,并探索其在酸洗缓蚀剂配方中的应用。主要研究内容如下:(1)合成与表征:通过两步法合成了两种不同碳链长度的新型脂肪醇醚季铵盐,即N-十二烷基-N,N-二甲基-N-丁氧基甘油醚氯化铵(DDBGA)和N-十六烷基-N,N-二甲基-N-丁氧基甘油醚氯化铵(HDBGA),并对其进行结构表征。以收率和叔胺转化率为指标,通过单因素及正交试验探究不同因素对反应的影响,并确定了最佳反应条件。以最佳反应条件合成中间体丁氧基氯代甘油醚(BCGE)的反应收率为93.36%,合成终产物的叔胺转化率为99.45%。通过红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(H NMR)和质谱(MS)确保了所合成的DDBGA和HDBGA的结构准确性。(2)性能测试:通过表面张力法、电导率法、稳态荧光探针法研究了DDBGA和HDBGA的表面活性、胶束化热力学性质和微极性,并根据胶束聚集数(N)和平均流体力学半径(R)探究其在水溶液中的聚集行为。结果表明,在298 K时,DDBGA和HDBGA的临界胶束浓度(cmc)分别为3.98×10 mol·L和3.74×10 mol·L,临界胶束浓度下的表面张力(γ)分别为30.16 m N·m和31.28 m N·m。随着疏水链长度的增加,分子更倾向于聚集成胶束使得cmc降低,长碳链更易发生卷曲使γ逐渐增加;温度升高,烷基链周围的水结构遭到破坏而不利于胶束的形成,促使cmc增加。电导率法和稳态荧光探针法测得的cmc值与表面张力法基本一致。此外,两种脂肪醇醚季铵盐溶液的胶束化热力学参数表明胶束化过程是自发进行的放热过程。浓度在cmc时,DDBGA和HDBGA的N值分别为7.48和8.87,较高浓度时在水溶液中易形成球形胶束。对脂肪醇醚季铵盐的应用性能进行测试,结果发现DDBGA和HDBGA有着良好的润湿、乳化和抗静电性能,且不对织物的机械性能造成破坏。(3)缓蚀性能及在酸洗缓蚀剂配方的应用:研究了HDBGA在1 M HCl和1 M HCl+3.5 wt%Na Cl溶液中对Q235钢的缓蚀性能。结果表明,其缓蚀效率在浓度接近cmc时达到最高,在1 M HCl和1 M HCl+3.5 wt%Na Cl的腐蚀介质中分别达到98.52%和99.06%。研究表明,碳钢的腐蚀速率随着温度的升高而加快,但缓蚀效率在308 K时达到峰值。采用Langmuir吸附等温线模型证明HDBGA分子主要通过化学作用力吸附在碳钢表面。电化学研究发现该缓蚀剂表现为一种阴极阳极混合型缓蚀剂,并且表面分析发现HDBGA分子能有效地吸附在碳钢表面并通过形成保护膜来抑制腐蚀。将HDBGA作为主缓蚀剂应用到酸洗缓蚀剂配方当中,并与十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)和2-巯基苯并噻唑(MBT)作为主缓蚀剂的配方进行对比测试。静态失重法、电化学法和表面形貌分析均证明含HDBGA的酸洗缓蚀剂配方具有更高的缓蚀能力,且抑雾性能和脱脂性能均优于含DTAC和MBT的配方。